Поршень в разрезе: Виды поршня в разрезе

Поршень двигателя внутреннего сгорания

Поршень — один из основных составных элементов КШМ. Главной задачей детали становится принятие давления активно расширяющихся и сильно разогретых газов, которые образуются в  рабочей камере при сгорании топливно-воздушной смеси. Полученная энергия от воздействия указанных газов на поршень далее передается на шатун. Поршень имеет три части, которые отвечают за реализацию различных функций. К таковым частям относят днище поршня, уплотняющую часть и направляющую часть поршня.

Поршень испытывает значительные тепловые и механические нагрузки в процессе работы двигателя. Основным материалом для изготовления поршня сегодня  выступают алюминиевые сплавы, ранее активно использовался чугун. Поршень совершает возвратно-поступательные движения в гильзе цилиндра, которая размещена в блоке цилиндров ДВС.

Поршень является цельной деталью цилиндрической формы, которую принято делить на головку поршня и юбку поршня. Головка поршня, которая также называется днище поршня, получает в процессе изготовления разную форму, что зависит от особенностей конструкции двигателя.

Головка поршня бывает плоской, выпуклой, может иметь вогнутую форму и т.п. В различных ДВС  форма головки поршня зависит от того, как расположены свечи зажигания, инжекторные форсунки, впускные и выпускные клапаны и т.д. Для бензиновых двигателей камера сгорания выполняется отдельно, но для дизельного мотора данная камера изготовлена прямо в головке поршня.

В зоне головки поршня выполнены специальные канавки. Указанные канавки нарезаются для того, чтобы разместить в них поршневые кольца. Данные кольца выступают уплотняющими элементами. Современные двигатели внутреннего сгорания имеют два типа  поршневых колец:

• маслосъемные кольца;
• компрессионные кольца;

Задачей компрессионного кольца становится не допустить того, чтобы газы прорывались в картер мотора. Маслосъемное кольцо служит для того, чтобы удалить излишки моторного масла со стенок цилиндра двигателя. Качественное уплотнение предельно важно для нормальной работы ДВС.

Поршень, шатун и гильза цилиндра образуют цилиндро-поршневую группу (ЦПГ). Одним из основных показателей исправности цилиндропоршневой группы выступает необходимая для того или иного мотора компрессия. Дополнительно состояние ЦПГ оценивают по отсутствию или наличию повышенной дымности выхлопа, а также заметного угара моторного масла в процессе эксплуатации. Исправный ДВС не должен иметь расход масла выше паспортного.  

Юбка поршня представляет собой направляющую часть указанной детали, в которой  выполнена пара бобышек. Бобышки служат для установки поршневого пальца. Поршневой палец выступает соединяющим элементом поршня с шатуном.

Читайте также

как определить и устранить неисправности деталей двигателя?

Существует множество внешних признаков, указывающих на проблемы в цилиндро-поршневой группе двигателя.Вовремя замеченные неисправности, ремонт поршней или их замена – залог бесперебойной работы и долгого срока службы силового агрегата.

Одним из важнейших рабочих элементов двигателя внутреннего сгорания является цилиндро-поршневая группа (ЦПГ), включающая в себя поршень с компрессионными и маслосъемными кольцами, а также гильзу цилиндра.

Детали ЦПГ работают в условиях высоких температур и повышенных нагрузок. В результате на рабочих поверхностях поршней и цилиндров возникают задиры, они быстро изнашиваются и требуют ремонта.

В данной статье мы рассмотрим самые распространенные причины выхода из строя поршней двигателя, способы профилактики проблем и их устранения.

Основные причины выхода поршней из строя

Поршень представляет собой подвижный элемент, перемещающийся между нижней и верхней точкой цилиндра. Движение поршня возникает вследствие давления газов при сгорании воздушно-топливной смеси.

В процессе работы поршень нагревается и существенно увеличивается в размерах из-за расширения металла. Избежать заклинивания внутри цилиндра позволяет консусообразная конструкция детали. Максимально увеличенная в диаметре нижняя часть поршня (юбка) нагревается и расширяется не так сильно, как головка. В результате при высоких температурах поршень приобретает цилиндрическую форму и свободно перемещается внутри цилиндра.

Охлаждению поршней способствует циркуляция моторного масла. При его дефиците ЦПГ перегревается, поршни увеличиваются в размерах и испытывают повышенное трение о стенки цилиндров. В результате на взаимодействующих поверхностях появляются многочисленные задиры, могут возникнуть заедания и заклинивания.

Возможные причины перегрева поршней:

• Нарушение циркуляции моторного масла и охлаждающей жидкости
• Выход из строя термостата
• Засорение радиатора
• Повреждение помпы
• Неисправность вентилятора охлаждения

При недостатке смазки поршневой палец приобретает синий цвет, в зоне бобышек возникают зазоры. Перегрев головки поршня между нижней частью поршня и верхней канавкой компрессионного кольца ведет к образованию задиров.

Подобные неисправности могут появляться не только из-за общего перегрева двигателя, но и по причине использования несоответствующего (низкооктанового) топлива, нарушения регулировки топливных форсунок, неисправности системы зажигания и т.д.

Чрезмерно высокая температура в ЦПГ может привести к разрушению поршневых колец и их посадочных мест, появлению трещин, оплавлению днищ и прочим повреждениям, полностью выводящим поршни из строя.

Виды износа поршней

Определить необходимость ремонта или замены деталей ЦПГ можно по состоянию поршней, колец и их посадочных мест.

О том, что следует принимать меры, предупреждающие поломку двигателя, говорят следующие явления:

• Залегание поршневых колец
• Износ канавок
• Износ отверстий в бобышках
• Износ поршня по диаметру
• Трещины и задиры на юбке
• Нагар на днище поршня

Нагар с днища поршня счищается при помощи тупого металлического скребка или щетки. Из канавок он удаляется при помощи специального приспособления.

Определить присутствие трещин на поршне можно на слух. Для этого деталь берется за головку, а по юбке наносятся легкие удары металлическим предметом. Глухой и дребезжащий звук свидетельствует о наличии трещин.

Поршни, имеющие трещины, глубокие царапины и большой износ по диаметру, не подлежат ремонту – только замене.

Изношенные канавки протачиваются на токарном станке при помощи кольца с наружным диаметром, равным внутреннему центрирующему пояску поршня. Это позволяет устанавливать кольца большей высоты. Протачивать канавки необходимо с учетом размеров установленных ремонтных колец.

Износ отверстий в бобышках устраняется их развертыванием под увеличенный диаметр при помощи раздвижной отвертки с направляющим хвостовиком. Короткие развертки использовать нельзя, так как ими можно легко нарушить перпендикулярность оси пальца с осью поршня. После операции развертывания необходимо произвести проверку перпендикулярности на специальном устройстве.

Делается это следующим образом. Поршень надевается на палец устройства и придвигается вплотную к стойке. Штифт индикатора, закрепленный на стойке, должен соприкасаться с поршнем. Стрелка индикатора покажет определенное отклонение – его величину необходимо зафиксировать. Далее поршень снимается и надевается на палец другой стороной. Разница в полученных измерениях не должна превышать 0,05 мм. Если она больше, поршень забраковывается.

Если на юбку поршня было нанесено заводское защитное покрытие, которое повредилось в процессе эксплуатации, крайне желательно провести операцию по его восстановлению. Специальные антифрикционные покрытия снижают коэффициент трения, способствуют дополнительному охлаждению поверхностей и уменьшают износ деталей.

Восстановить покрытие или нанести новый защитный слой позволяют материалы, выпускаемые сегодня в качестве более простых в нанесении и эффективных альтернатив заводским составам.

Рассмотрим технологию нанесения антифрикционного покрытия на юбку поршня на примере наиболее популярного материала – MODENGY Для деталей ДВС.

Первым делом поверхность юбки тщательно очищается доступным механическим или химическим способом от прочно сцепленных загрязнений: нагара, оксидных пленок, остатков старого покрытия и пр. Затем на поршень надевается трафарет, чтобы защитить те участки, на которые попадание нежелательно.

Далее поверхность юбки заливается Специальным очистителем-активатором MODENGY, который обеспечивает высокую адгезию покрытия и максимальный срок его службы. Через 15 мин Очиститель полностью испаряется, оставляя полностью подготовленную поверхность (касаться ее руками нельзя).

Покрытие MODENGY Для деталей ДВС упаковано в удобный аэрозольный баллон, который перед использование тщательно встряхивается.

Первый слой материала наносится на поверхность с расстояния 20-30 сантиметров. Процедура производится быстрыми повторяющимися движениями. Спустя 10 минут материал приобретает матовый оттенок и позволяет наносить второй слой покрытия (при необходимости). Общая толщина защитной пленки должна составлять 10-20 мкм.

Поршни со свежим покрытием не рекомендуется перемещать до его полной полимеризации (12 часов при комнатной температуре или 20 минут в печи при температуре +200 °C).

После завершения работ сопло распылительной головки следует обязательно прочистить. Для этого нужно перевернуть баллон вверх дном и нажать на клапан распылительной головки, направляя струю от себя. Удерживайте его в таком положении необходимо до тех пор, пока из сопла не начнет выходить чистый газ.

Как подобрать новый поршень и кольца?

Поршни подбираются в соответствии с ремонтным размером цилиндров. Маркировка ставится обычно на днище детали.

Каждый поршень выбирается индивидуально для получения зазора нужного размера. Его величина определяется с помощью специальной ленты-щупа, которая протягивается между цилиндром и поршнем. С противоположной от разреза юбки стороны устанавливается динамометр. Усилие на приборе при движении щупа сквозь зазор не должно превышать установленных пределов.

Проверить, правильно ли подобран поршень, легко опытным путем: деталь должна плавно перемещаться в установленном вертикально цилиндре под тяжестью собственного веса.

Помимо зазора, необходимо учитывать вес поршней – максимальная разница в весе деталей одного комплекта не должна превышать 5 грамм.

Изношенные и потерявшие упругость поршневые кольца заменяют новыми. Их ремонтный размер должен соответствовать размерам цилиндра и поршня.

Чтобы подобрать кольцо по цилиндру, его нужно поместить в гильзу, выровнять поршнем и при помощи щупа замерить зазор в стыке. Если он отсутствует или недостаточен, то стык увеличивается напильником. Слишком большой зазор указывает на непригодность кольца для данного цилиндра.

Для подбора по поршню кольцо «прокатывается» по канавке детали. Если зазор слишком мал, кольцо заедает. В таком случае его торцевая часть подлежит шлифовке при помощи наждачной бумаги.

Упругость новых поршневых колец проверяется специальным прибором. Величина нагрузки должна равняться значению зазора в стыке кольца, установленного в цилиндр.

поршень двигателя

Поршень двигателя является одной из самых главных деталей и конечно же от материала и качества поршней зависит успешная эксплуатация мотора и его долгий ресурс. В этой статье, больше рассчитанной на новичков, будет описано всё (ну или почти всё), что связано с поршнем, а именно: назначение поршня, его устройство, материалы и технология изготовления поршней и другие нюансы.

Сразу хочу предупредить уважаемых читателей, что если какой то важный нюанс, связанный с поршнями, или с технологией их изготовления, я уже написал более подробно в другой статье, то разумеется мне нет смысла повторяться в этой статье. Я просто напросто буду ставить соответствующую ссылку, перейдя по которой уважаемый читатель при желании сможет перейти на другую более подробную статью и в ней ознакомиться с нужной информацией о поршнях более подробно.

На первый взгляд многим новичкам может показаться, что поршень довольно простая деталь и придумать уже что то более совершенное в его технологии производства, форме и конструкции невозможно. Но на самом деле всё не так просто и не смотря на внешнюю простоту формы, поршни и технологии их изготовления до сих пор совершенствуются, особенно на самых современных (серийных или спортивных) более высоко-оборотистых форсированных двигателях. Но не будем забегать вперёд и начнём от простого к сложному.

Для начала разберём для чего нужен поршень (поршни) в двигателе, как он устроен, какие формы поршней бывают для разных двигателей и далее уже плавно перейдём к технологиям изготовления.

Для чего нужен поршень двигателя.

Поршень, за счёт кривошипно-шатунного механизма (коленвала и шатуна — см. рисунок чуть ниже), перемещаясь возвратно-поступательно в цилиндре двигателя, например перемещаясь вверх — для засасывания в цилиндр и сжатия в камере сгорания рабочей смеси, а так же за счёт расширения сгораемых газов перемещаясь в цилиндре вниз, совершает работу, преобразуя тепловую энергию сгораемого топлива в энергию движения, которая способствует (через трансмиссию) вращению ведущих колёс транспортного средства.

Поршень двигателя и силы действующие на него: А — сила, прижимающая поршень к стенкам цилиндра; Б — сила, перемещающая поршень вниз; В — сила передаваемая усилие от поршня к шатуну и наоборот, Г — сила давления сгораемых газов, перемещающая поршень вниз.

 

То есть по сути без поршня в одноцилиндровом двигателе, или без поршней в многоцилиндровом двигателе — невозможно движение транспортного средства, на которое установлен двигатель.

 

Кроме того, как видно из рисунка, на поршень действуют несколько сил, (также на том же рисунке не показаны противоположные силы, давящие на поршень снизу вверх).

 

 

И исходя из того, что на поршень давят и довольно сильно несколько сил, у поршня должны быть некоторые важные свойства, а именно:

• способность поршня двигателя противостоять огромному давлению газов, расширяющихся в камере сгорания.
• способность сжать и противостоять большому давлению сжимаемого топлива (особенно на дизелях).
• способность противостоять прорыву газов между стенками цилиндра и своими стенками.
• способность передавать огромное давление на шатун, через поршневой палец, без поломок.
• способность не изнашиваться долгое время от трения о стенки цилиндра.
• способность не заклиниваться в цилиндре от теплового расширения материала, из которого он изготовлен.
• поршень двигателя должен иметь способность противостоять высокой температуре сгорания топлива.
• иметь большую прочность при небольшой массе, чтобы исключить вибрацию и инерционность.

И это далеко не все требования, предъявляемые к поршням, особенно на современных высоко-оборотистых моторах. О полезных свойствах и требованиях современных поршней мы ещё поговорим, а для начала давайте рассмотрим устройство современного поршня.

 

Как видно на рисунке, современный поршень можно разделить на несколько частей, каждая из которых имеет важное значение и свои функции. Но ниже будут описаны основные наиболее важные части поршня двигателя и начнём с наиболее важной и ответственной части — с днища поршня.

 

Донышко (днище) поршня двигателя.

Это самая верхняя и наиболее нагруженная поверхность поршня, которая обращена непосредственно к камере сгорания двигателя. И нагружено донышко любого поршня не только большой давящей силой от расширяющихся с огромной скоростью газов, но и высокой температурой сгорания рабочей смеси.

Кроме того, донышко поршня своим профилем определяет нижнюю поверхность самой камеры сгорания и также определяет такой важный параметр, как степень сжатия. Кстати, зависеть форма донышка поршня может от некоторых параметров, например от расположения в камере сгорания свечей, или форсунок, от расположения и величины открытия клапанов, от диаметра тарелок клапанов — на фото слева хорошо видны выемки для тарелок клапанов в донышке поршня, которые исключают встречу клапанов с донышком.

Так же форма и размеры донышка поршня зависят от объёма и формы камеры сгорания двигателя, или от особенностей подачи в нее топливно-воздушной смеси — например на некоторых старых двухтактных двигателях на донышке поршня делали характерный выступ-гребень, играющий роль отражателя и направляющий поток продуктов горения при продувке. Этот выступ показан на рисунке 2 (выступ на донышке также виден на рисунке выше, где показано устройство поршня). Кстати, на рисунке 2 так же показан рабочий процесс древнего двухтактного двигателя и то, как влияет выступ на донышке поршня на наполнение рабочей смесью и на выпуск отработанных газов (то есть на улучшение продувки).

Двухтактный двигатель мотоцикла — рабочий процесс

Но на некоторых двигателях (например на некоторых дизелях) на донышке поршня в центре наоборот имеется круглая выемка, благодаря которой увеличивается объем камеры сгорания и соответственно уменьшается степень сжатия.

Но, поскольку выемка небольшого диаметра в центре донышка является не желательной для благоприятного наполнения рабочей смесью (появляются нежелательные завихрения), то на многих двигателях на донышках поршней в центре перестали делать выемки.

А для уменьшения объема камеры сгорания приходится делать так называемые вытеснители, то есть изготавливать донышко с определенным объёмом материала, который располагают немного выше основной плоскости донышка поршня.

Ну и ещё один важный показатель — это толщина донышка поршня. Чем она толще, тем прочнее поршень и тем большую тепловую и силовую нагрузку он сможет выдержать довольно долго. А чем тоньше толщина донышка поршня, тем бóльшая  вероятность прогара, или физического разрушения донышка.

Но с увеличением толщины донышка поршня, соответственно увеличивается и масса поршня, что для форсированных высоко-оборотистых моторов очень нежелательно. И поэтому конструкторы идут на компромисс, то есть «ловят» золотую середину между прочностью и массой, ну и конечно же постоянно стараются усовершенствовать технологии производства поршней для современных моторов (о технологиях позже).

Жаровой пояс поршня.

Как видно на рисунке выше, где показано устройство поршня двигателя, жаровым поясом считается расстояние от донышка поршня до его самого верхнего компрессионного кольца. Следует учесть, что чем меньше расстояние от донышка поршня до верхнего кольца, то есть чем тоньше жаровой пояс, тем более высокую тепловую напряжённость будут испытывать нижние элементы поршня, и тем быстрее они будут изнашиваться.

Поэтому для высоко напряжённых форсированных двигателей желательно делать жаровой пояс потолще, однако это делают не всегда, так как это тоже может увеличить высоту и массу поршня, что для форсированных и высоко-оборотистых двигателей нежелательно. Тут так же как и с толщиной донышка поршня, важно найти золотую середину.

Уплотняющий участок поршня.

Этот участок начинается от нижней части жарового пояса до того места, где заканчивается канавка самого нижнего поршневого кольца. На уплотняющем участке поршня расположены канавки поршневых колец и вставлены сами кольца (компрессионные и масло-съёмные).

Канавки колец не только удерживают поршневые кольца на месте, но ещё и обеспечивают их подвижность (благодаря определённым зазорам между кольцами и канавками), что позволяет поршневым кольцам свободно сжиматься и разжиматься за счёт своей упругости (что очень важно если цилиндр изношен и имеет форму бочки). Это также способствует прижиму поршневых колец к стенкам цилиндра, что исключает прорыв газов и способствует хорошей компрессии, даже если цилиндр немного изношен.

Как видно на рисунке с устройством поршня, в канавке (канавках), предназначенной для маслосъёмного кольца имеются отверстия для обратного стока моторного масла, которое масло-съёмное кольцо (или кольца) снимает со стенок цилиндра, при движении поршня в цилиндре.

Кроме основной функции (не допустить прорыва газов) уплотняющего участка, у него есть ещё одно важное свойство — это отвод (точнее распределение) части тепла от поршня на цилиндр и весь двигатель. Разумеется для эффективного распределения (отвода) тепла и для предотвращения прорыва газов важно, что бы поршневые кольца довольно плотно прилегали к своим канавкам, но особенно к поверхности стенки цилиндра.

Головка поршня двигателя.

Головка поршня представляет из себя общий участок, который включает в себя уже описанные мной выше донышко поршня и его и уплотняющий участок. Чем больше и мощнее головка поршня, тем выше его прочность, лучше отвод тепла и соответственно больше ресурс, но и масса тоже больше, что как было сказано выше, нежелательно для высоко-оборотистых моторов. А снизить массу, без уменьшения ресурса, можно если увеличить прочность поршня путём усовершенствования технологии изготовления, но об этом я подробнее напишу позже.

Кстати, чуть не забыл сказать, что в некоторых конструкциях современных поршней, изготавливаемых из алюминиевых сплавов, в головке поршня делают нирезистовую вставку, то есть в головку поршня заливают ободок из нирезиста (специального прочного и стойкого к коррозии чугуна).

В этом ободке прорезают канавку для самого верхнего и наиболее нагруженного компрессионного поршневого кольца. И хотя благодаря вставке немного увеличивается масса поршня, зато существенно увеличивается его прочность и износостойкость (к примеру нирезистовую вставку имеют наши отечественные Тутаевские поршни, изготовленные на ТМЗ).

Компрессионная высота поршня.

Компрессионная высота — это расстояние в миллиметрах, которое отсчитывается от донышка поршня до оси поршневого пальца (или наоборот). У разных поршней компрессионная высота разная и разумеется чем больше расстояние от оси пальца до донышка, тем она больше, а чем она больше, тем лучше компрессия и меньшая вероятность прорыва газов, но и больше сила трения и нагрев поршня.

На старых тихоходных и мало-оборотистых моторах компрессионная высота поршня была больше, а на современных более высоко-оборотистых двигателях стала меньше. Здесь тоже важно найти золотую середину, которая зависит от форсировки мотора (чем выше обороты, тем меньше должно быть трение и меньшая компрессионная высота).

Юбка поршня двигателя.

Юбкой называют нижнюю часть поршня (её ещё называют направляющей частью). Юбка включает в себя бобышки поршня с отверстиями, в которые вставляется поршневой палец. Внешняя поверхность юбки поршня является направляющей (опорной) поверхностью поршня и эта поверхность также как и поршневые кольца трётся о стенки цилиндра.

Примерно в средней части юбки поршня имеются приливы, в которых имеются отверстия для поршневого пальца. А так как вес материала поршня у приливов тяжелее, чем в других местах юбки, то деформации от воздействия температуры в плоскости бобышек будут больше, чем в других частях поршня.

Поэтому для снижения температурных воздействий (и напряжений) на поршне с двух сторон с поверхности юбки снимают часть материала, примерно на глубину 0,5-1,5 мм и получаются небольшие углубления. Эти углубления, называемые холодильниками, не только способствуют устранению температурных воздействий и деформаций, но ещё и препятствуют образованию задиров, а так же улучшают смазку поршня при движении его в цилиндре.

Следует так же отметить, что юбка поршня имеет форму конуса (в верху у донышка уже, внизу шире), а в плоскости, перпендикулярной оси поршневого пальца имеет форму овала. Эти отклонения от идеальной цилиндрической формы минимальные, то есть имеют всего несколько соток мм (эти величины разные — чем больше диаметр, тем больше отклонения).

Конус нужен для того, что бы поршень расширялся от нагрева равномерно, ведь в верху температура поршня выше, а значит и тепловое расширение больше. А раз у донышка диаметр поршня чуть меньше, чем внизу, то при расширении от нагрева поршень примет форму, близкую к идеальному цилиндру.

Ну а овал предназначен для компенсации быстрого износа на стенках юбки, которые стираются быстрее там где трение выше, а выше оно в плоскости движения шатуна.

Благодаря юбке поршня (точнее её боковой поверхности) обеспечивается нужное и правильное положение оси поршня к оси цилиндра мотора. С помощью боковой поверхности юбки, к цилиндру двигателя передаются поперечные усилия от действия боковой силы А  (см. самый верхний рисунок в тексте, а так же рисунок справа) которая периодически воздействует на поршни и цилиндры, при перекладке поршней во время вращения коленвала (кривошипно-шатунного механизма).

Также благодаря боковой поверхности юбки осуществляется отвод тепла от поршня к цилиндру (так же как и от поршневых колец). Чем больше боковая поверхность юбки, тем лучше идёт отвод тепла, меньше утечка газов, меньше стук поршня при некотором износе втулки верхней головки шатуна (или при неточной обработке втулки — см. рисунок слева), впрочем как и при трёх компрессионных кольцах, а не двух (об этом я подробнее написал вот тут).

Но при слишком длинной юбке поршня больше его масса, больше трения возникает о стенки цилиндров (на современных поршнях для уменьшения трения и износа стали наносить антифрикционное покрытие на юбку), а лишняя масса и трение очень нежелательны в высоко-оборотистых форсированных современных (или спортивных) моторах и поэтому на таких двигателях юбку постепенно стали делать очень короткой (так называемая миниюбка) и постепенно почти от неё избавились — так и появился Т-образный поршень, показанный на фото справа.

Но и у Т-образных поршней есть недостатки, например у них опять же могут быть проблемы с трением о стенки цилиндра, из-за недостаточной смазываемой поверхности очень короткой юбки (причём на малых оборотах).

Более подробно об этих проблемах, а так же в каких случаях Т-образные поршни с мини юбкой нужны в некоторых двигателях, а в каких нет, я написал отдельную подробную статью вот здесь. Там же написано об эволюции формы поршня двигателя — советую почитать. Ну а мы думаю уже разобрались с устройством поршней и плавно переходим к технологиям изготовления поршней, чтобы понять какие поршни, изготовленные разными способами лучше, а какие хуже (менее прочные).

Поршни для двигателей — материалы изготовления.

При выборе материала для изготовления поршней предъявляют строгие требования, а именно:

• материал поршня должен иметь отличные антифрикционные (антизадирные) свойства.
• материал поршня двигателя должен иметь довольно высокую механическую прочность.
• материал поршня должен иметь малую плотность и хорошую теплопроводность.
• материал поршня должен быть стоек к коррозии.
• материал поршня должен иметь малый коэффициент линейного расширения и быть по возможности близок или равен коэффициенту расширения материала стенок цилиндра.

Чугун.

Раньше, на заре двигателестроения, ещё со времён самых первых автомобилей, мотоциклов и самолётов (аэропланов), для материала поршней применяли серый чугун (кстати для поршней компрессоров тоже). Конечно же, как и у любого материала, у чугуна имеются как достоинства, так и недостатки.

Из достоинств следует отметить хорошую износостойкость и достаточную прочность. Но наиболее важное достоинство чугунных поршней, устанавливаемых в двигатели с чугунными блоками (или гильзами) — это такой же коэффициент теплового расширения, как и чугунного цилиндра двигателя. А значит тепловые зазоры можно сделать минимальными, то есть гораздо меньше, чем у алюминиевого поршня, работающего в чугунном цилиндре. Это позволяло существенно увеличить компрессию и ресурс поршневой группы.

Ещё один существенный плюс чугунных поршней — это небольшое (всего 10 %) снижение механической прочности при нагреве поршня. У алюминиевого поршня снижение механической прочности при нагреве ощутимо больше, но об этом ниже.

Но с появлением более оборотистых двигателей, при использовании чугунных поршней, на больших оборотах стал выявляться их главный недостаток — довольно большая масса, по сравнению с алюминиевыми поршнями. И постепенно перешли к изготовлению поршней из алюминиевых сплавов, даже в двигателях с чугунным блоком, или гильзой, хоть и пришлось делать алюминиевые поршни с гораздо бóльшими тепловыми зазорами, чтобы исключить клин алюминиевого поршня в чугунном цилиндре.

Кстати, раньше на поршнях некоторых двигателей делали косой разрез юбки, который обеспечивал пружинящие свойства юбки алюминиевого поршня и исключал его заклинивание в чугунном цилиндре — пример такого поршня можно увидеть на двигателе мотоцикла ИЖ-49).

А с появлением современных цилиндров, или блоков цилиндров, полностью выполненных из алюминия, в которых уже нет чугунных гильз (то есть покрытых никасилем или керонайтом) появилась возможность изготавливать алюминиевые поршни тоже с минимальными тепловыми зазорами, ведь тепловое расширение легкосплавного цилиндра стало практически таким же, как и у легкосплавного поршня.

Алюминиевые сплавы. Практически все современные поршни на серийных двигателях сейчас изготавливают из алюминиевых сплавов (кроме пластиковых поршней на дешёвых китайских компрессорах).

У поршней, выполненных из алюминиевых сплавов тоже имеются как достоинства, так и недостатки. Из основных достоинств следует отметить небольшой вес легкосплавного поршня, что очень важно для современных высокооборотистых двигателей. Вес алюминиевого поршня конечно же зависит от состава сплава и от технологии изготовления поршня, ведь кованный поршень весит значительно меньше, чем выполненный из того же сплава методом литья, но о технологиях я напишу чуть позже.

Ещё одно достоинство легкосплавных поршней, о которой мало кто знает — это довольно высокая теплопроводность, которая примерно в 3-4 раза выше, чем теплопроводность серого чугуна. Но почему достоинство, ведь при высокой теплопроводности и тепловое расширение довольно не малое и придётся и придётся и тепловые зазоры делать больше, если конечно цилиндр чугунный (но с современными алюминиевыми цилиндрами это стало не нужно).

А дело в том, что высокая теплопроводность не позволяет нагреваться донышку поршня более чем 250 °C, а это способствует гораздо лучшему наполнению цилиндров двигателей и конечно же позволяет ещё более повысить степень сжатия в бензиновых моторах и тем самым поднять их мощность.

Кстати, чтобы как то усилить отлитые из лёгкого сплава поршни, в их конструкцию инженеры добавляют различные усиливающие элементы — например делают стенки и донышко поршня толще, а бобышки под поршневой палец отливают более массивными. Ну или делают вставки из того же чугуна, я об этом уже писал выше. И конечно же все эти усиления увеличивают массу поршня, и в итоге получается, что более древний и прочный поршень, изготовленный из чугуна, проигрывает в весе легкосплавному поршню совсем чуть чуть, где то процентов на 10 — 15.

И тут любому напрашивается вопрос, а стоит ли овчинка выделки? Стóит, ведь у алюминиевых сплавов есть ещё одно отличное свойство — они раза в три лучше отводят тепло, чем тот же чугун. И это важное свойство незаменимо в современных высоко-оборотистых (форсированных и горячих) двигателях, у которых довольно высокая степень сжатия.

К тому же современные технологии производства кованных поршней (о них чуть позже) существенно повышают прочность и уменьшают вес деталей и уже не требуется усиление таких поршней различными вставками, или более массивными отливками.

К недостаткам поршней, выполненных из алюминиевых сплавов относятся такие как: довольно большой коэффициент линейного расширения алюминиевых сплавов, у которых оно составляет примерно в два раза больше, чем у поршней выполненных из чугуна.

Ещё одним существенным недостатком алюминиевых поршней является довольно большое снижение механической прочности, при повышении температуры поршня. К примеру: если легкосплавный поршень нагреть до трёхсот градусов, то это приведёт к снижению его прочности аж в два раза (примерно на 55 — 50 процентов). А у чугунного поршня при его нагреве прочность снижается ощутимо меньше — всего на 10 — 15%. Хотя современные поршни, выполненные из алюминиевых сплавов методом поковки, а не с помощью литья, при нагреве теряют прочность гораздо меньше.

На многих современных алюминиевых поршнях снижение механической прочности и слишком большое тепловое расширение устраняется более совершенными технологиями производства, которые заменили традиционное литьё (об этом ниже), а так же специальными компенсационными вставками (например упомянутые мной выше — вставки из нирезиста), которые не только увеличивают прочность, но и значительно уменьшают тепловое расширение стенок юбки поршня.

Поршень двигателя — технологии изготовления.

Ни для кого не секрет, что со временем, чтобы увеличить мощность двигателей, постепенно начали повышать степень сжатия и обороты моторов. А чтобы поднять мощность без особого ущерба для ресурса поршней, постепенно совершенствовались технологии их изготовления. Но начнём всё по порядку — с обычных литых поршней.

Поршни изготовленные методом обычного литья.

Эта технология самая простая и древняя, она применяется с самого начала истории авто и двигателестроения, ещё со времён первых чугунных поршней.

Технология производства поршней для самых современных двигателей обычным литьём уже почти не применяется. Ведь на выходе получается продукт имеющий изъяны (поры и т.д.) значительно снижающие прочность детали. Да и технология обычного литья в форму (кокиль) довольно древняя, она позаимствована ещё у наших древних предков, которые много веков назад отливали бронзовые топоры.

И залитый в кокиль сплав алюминия повторяет форму кокиля (матрицы), а потом деталь ещё нужно обработать термически и на станках, снимая лишний материал, что отнимает не мало времени (даже на станках с ЧПУ).

Литьё под давлением.

У поршня, изготовленного методом простого литья прочность не высока, из-за пористости детали и постепенно многие фирмы от этого способа отошли и начали отливать поршни под давлением, что значительно улучшило прочность, так как пористость почти отсутствует.

Технология литья под давлением, существенно отличается от технологии обычного литья топоров бронзового века и конечно же на выходе получается более аккуратная и прочная деталь, имеющая несколько лучшую структуру. Кстати, литьём алюминиевых сплавов под давлением в форму (ещё эту технологию называют жидкой штамповкой) отливают не только поршни, но и рамы некоторых современных мотоциклов и автомобилей.

Но всё же и эта технология не идеальна и если даже вы возьмёте в руки отлитый под давлением поршень и рассмотрев его, ничего не обнаружите на его поверхности, но это не значит, что и внутри всё идеально. Ведь в процессе литья, даже под давлением, не исключено появления внутренних пустот и каверн (мельчайших пузырьков), уменьшающих прочность детали.

Но всё же литьё поршней под давлением (жидкая штамповка) существенно лучше обычного литья и эта технология до сих пор применяется на многих заводах при изготовлении поршней, рам, деталей ходовой и других деталей автомобилей и мотоциклов. А кому интересно более подробно почитать о том, как делают жидко-штампованные поршни и о их преимуществах, то читаем о них вот здесь.

Кованные поршни автомобиля (мотоцикла).

Кованые поршни для отечественных автомобилей.

Эта наиболее прогрессивная на данный момент технология производства современных легкосплавных поршней, которые имеют множество преимуществ перед литыми и которые устанавливают на самые современные высоко-оборотистые моторы, с высокой степенью сжатия. У кованных поршней, изготовленных авторитетными фирмами, практически нет недостатков.

Но мне нет смысла писать о кованных поршнях подробно в этой статье, так как я написал о них две очень подробные статьи, которые каждый желающий сможет почитать, кликнув на ссылки ниже.

Кованные поршни 1

Кованные поршни 2

Вот вроде бы и всё, если что нибудь вспомню ещё о такой важной детали, как поршень двигателя, то обязательно допишу, успехов всем.

Часть 1: Как моделировать линейный электромагнитный поршень

Электромагнитный поршень — это электромеханическое устройство, которое преобразовывает электрическую энергию в линейное механическое движение. Примерами могут служить закрытые электромагнитные клапаны, а также закрытые и открытые электромагнитные реле. В этой заметке мы покажем, как моделировать электромагнитный поршень и его динамику. В данном примере он состоит из многовитковой катушки, магнитного сердечника, немагнитных направляющих и магнитного поршня.

Применение электромагнитных преобразователей

Линейные электромагнитные преобразователи широко используются в промышленности в схемах, где требуется линейное движение. Такие устройства нашли широкое применение в электромагнитных реле, электромагнитных клапанах, автоматических выключателях и контакторах. Данные технологии применяются в различных отраслях, таких как сельское хозяйство, строительство, автомобилестроение и роботостроение.

Простейшее электромагнитное реле с механической пружиной, катушкой, якорем и сердечником.

Программное обеспечение COMSOL Multiphysics позволяет проектировать линейные электромагнитные преобразователи. Благодаря встроенному функционалу можно рассчитать механические характеристики, рабочие электрические характеристики, эффективность устройства и рабочую частоту в зависимости от конструкционных параметров (размеров, материалов, входного напряжения, тока и т.д.). Пример более комплексного устройства мы рассмотрим в следующей части.

Моделирование линейного электромагнитного поршня в COMSOL Multiphysics

В этом же блоге мы рассмотрим простейший электомагнитный поршень, который состоит из многовитковой катушки, магнитного сердечника, немагнитых направляющих и магнитного поршня. Как показано на рисунке ниже, эти части соединяются с пружиной и демпфером. После подачи (прямоугольного импульса) тока на катушку соленоида, последний создаёт магнитное поле вокруг магнитного сердечника и поршня. Воздействие магнитного поля создаёт силу, которая втягивает поршень, двигая его вверх и разжимая пружину. При макисмальной силе поршень располагается внутри сердечника таким образом, что магнитный поток замыкается с минимальными потерями.

Трёхмерный (слева) и двухмерный осесимметричный (справа) вид электромагнитного поршня в разрезе.

Для тестовой модели Electromagnetic Plunger (Электромагнитный поршень) мы используем двухмерную осесимметричную постановку. Затем добавим интерфейсы Magnetic Fields (Магнитные поля), Moving Mesh (Подвижная сетка) и Global ODEs and DAEs (Глобальные ОДУ и ДАУ), а также выберем исследование — Time Dependent (Нестационарное во временной области). Далее, зададим параметры модели в Global Definitions > Parameters (Глобальные определения > Параметры), как показано на скриншоте ниже.

Список конструкционных параметров для модели электромагнитного поршня.

Для воссоздания большого поступательного перемещения поршня будем использовать «скользящую» сетку для моделирования движения. Для этого в узле Геометрия необходимо разделить подвижную и неподвижную части, создав два разных Union (Объединения). Затем мы завершим создание геометрии, используя узел Form Assembly (Построение сборки), что приведет к автоматическому созданию т.н. тождественной пары (Identity pair) на границе раздела двух Union’ов. Для упрощения моделирования рекомендуется дополнительно создать геометрические выборки (selections) для направляющих, сердечника, катушки, поршня, исходной границы и конечной границы (тождественной пары), а также границы для расчёта силы, как показано на скриншоте ниже.

Различные геометрические выборки для неподвижных и подвижных частей и для идентичных пар в построителе моделей.

Чтобы рассчитать массу поршня, M, которая понадобится для исследования динамики системы, воспользуемся оператором интегрирования, Integration 1 (intop1). Этот оператор вычисляет объём клапана и умножает его на плотность материала. В данном примере поршень сделан из низкоуглеродистой стали 1002 — материала с индексом (mat 3). Также нужно определить переменную для электромагнитной силы, F_z, которую мы будем использовать для расчёта тензора напряжений Максвелла, действующих на поршень. Для этого в физический интерфейс Magnetic Fields необходимо добавить узел Force Calculation (Расчёт силы) и указать имя силы — force. Как это сделать мы подробно объясним в следующем разделе.

Оператор интегрирования и задание переменных.

Моделирование электромагнитных полей в системе

Для расчёта электромагнитных полей в нашем устройстве будем использовать физический интерфейс Magnetic Fields. Чтобы указать то, что поршень сделан из нелинейного магнитного материала, выберем материальную модель H-B curve (H-B-кривая намагничивания) в узле Ampère’s Law (Закон Ампера), который нужно дополнительно добавить в интерфейс. Для сердечника, выполненного из мягкого железа (Soft Iron) проведем аналогичную операцию. Обратите внимание, что в таком случае, имея два различных узла Ampère’s Law, мы можем использовать для поршня и сердечника разные материальные модели при необходимости.

Окно настроек узла Ampère’s Law и H-B-кривая намагничивания нелинейного материала поршня.

С помощью узла Mulit-Turn Coil (Многовитковая катушка) в физическом интерфейсе Magnetic Fields зададим соленоидальную обмотку (Примечание: начиная с версии 5.2a, для этой цели используется узел Coil c опцией Homogenized Multiturn). Обмотка состоит из 200 витков (Nturns = 200), диаметр провода — 1 mm (Dia_wire = 1 mm), электрическая проводимость — 6e7 s/m. Протекающий через катушку ток зададим прямоугольным импульсом: I_coil = I0_wire*rect1(t[1/s]), где rect1() — это прямоугольная функция, определяемая пользователем в Definitions > Rectangle 1. Амплитуда тока I0_wire = 4 A.

Окно настроек узла Multi-Turn Coil (Многовитковая катушка), где заданы выражения для тока и параметры обмотки.

Для расчёта силы, действующей на поршень, добавим узел Force Calculation, который будет рассчитывать силу, действующую на поршень в зависимости от протекаемого тока на основе тензора напряжений Максвелла. Поршень сделан из магнитного материала, поэтому для расчёта мы не можем использовать метод расчёта силы Лоренца, т.к. он подходит только для проводящих немагнитных материалов. Метод расчёта тензора напряжений Максвелла требователен к качеству и разрешению сетки, особенно на границах выбранной области. Чтобы корректно рассчитать силу, рекомендуем провести исследование по сеточной сходимости (mesh refinement study).

Далее, чтобы связать магнитные поля между неподвижными и подвижными частями, нужно добавить граничное условие Continuity (Непрерывность) на соответствующую тождественную пару Identity Pair.2}+D\frac{dp}{dt}+kp-F_z(p,v,t)=0

где p — это положение поршня по оси z, v — скорость, M — масса поршня, F_z(p,v,t) — электромагнитная сила, действующая на поршень (против пружины). Приведённое выше уравнение (второго порядка) можно записать, как два раздельных дифференциальных уравнения (первого порядка) для положения поршня и его скорости:

(2)

M \frac{dv}{dt}+Dv+kp-F_z(p,v,t)=0

и

(3)

\frac{dp}{dt}-v=0

Данные уравнения мы запишем в физическом интерфейсе Global ODEs and DAEs, в котором добавим два отдельных узла global equations (глобальные уравнения), как показано ниже.

Реализация двух дифференциальных уравнений, описывающих движение и положение поршня, в физическом интерфейсе Global ODEs and DAEs.

Моделирование поступательного движения поршня

Для моделирования поступательного движения электромагнитного поршня добавим интерфейс Moving Mesh (Подвижная сетка). Ранее, в учебной модели колеблющегося магнита, мы уже описывали методику того, как применять интерфейс Moving Mesh только к подвижным частям. В нашей модели – это поршень и область воздуха слева от идентичной пары. Воздушная область слева от идентичной пары для упрощения настройки подвижной сетки разделена на три секции. Сетка в верхней и нижней воздушных областях будет сделана деформирующейся, т.е.»расширяющейся» или «сжимающейся», а в средней области распределение будет фиксированным, но при этом она будет передвигаться в соответствии с заданными условиями на границе.

Затем добавим узел Prescribed Mesh Displacement (Предустановленное смещение сетки) и зададим в поле Prescribed z displacement (Предустановленное смещение по оси z) переменную p, которая будет определять положение поршня. Две вертикальные направляющие, которые мы задали в выборке Guiding Boundaries, ограничены только в направлении r. Так что в окне настроек снимем флажок в поле Prescribed z displacement. На рисунке ниже показано окно настроек физического интерфейса Moving Mesh.

Примечание: Мы специально задали, что поршень двигается вместе с небольшой областью воздуха вокруг него. Это упрощает настройку построения сетки для интерфейса Moving Mesh, так как позволяет использовать структурированную сетку (типа Mapped) для двух других воздушных областей. Мы рассмотрим и более сложные конфигурации сетки во второй части данной серии.

Окно настроек интерфейса Moving Mesh (Подвижные сетки).

Есть и другой вариант настройки подвижных сеток: неподвижные области задаются в узле fixed mesh (фиксированная сетка), в то время как подвижные — с помощью узлов prescribed deformation (предустановленная деформация) в направлении оси z, при этом переменная положения, p, из физического интерфейса Global ODEs and DAEs определяет задаваемое движение.

Альтернативный способ задания настроек интерфейса Moving Mesh.

Анализ результатов расчёта

Результаты расчёта во временной области (time-dependent) электромагнитного поршня можно увидеть на графиках ниже. Мы выполнили расчёт для двух различных коэффициентов затухания. Как и ожидалось, колебания в системе больше при коэффициенте затухания меньшем, чем его критическое значение. Тем не менее, время нарастания импульса короче.

Графики положения поршня (слева) и его электромагнитной силы (справа) в зависимости от времени для разных коэффициентов затухания.

Графики скорости поршня в зависимости от времени для разных коэффициентов затухания (слева) и тока, протекающего по катушке, в зависимости от времени (справа).

На анимации ниже показано движение поршня в зависимости от протекающего в катушке тока. Слева изображена 3D-анимация динамики электромагнитного поршня (визуализируется магнитная индукция). Справа представлены анимированные зависимости положения поршня и тока, протекающего по катушке, от времени.

Заключетельные соображения по моделированию электромагнитных поршней и преобразователей

В данной заметке мы пошагово рассмотрели моделирование линейного/поступательного электромагнитного преобразователя с использованием трёх различных физических интерфейсов: Magnetic Fields (Магнитные поля), Moving Mesh (Подвижная сетка) и Global ODEs and DAEs. Мы показали, как рассчитывать электромагнитную силу, положение поршня и его скорость, связав физические интерфейсы Magnetic Fields и Moving Mesh и записав дифференциальные уравнения, описывающие движение поршня.

Следите за последующими публикациями в нашем корпоративном блоге, чтобы узнать, как можно ещё больше расширить данную динамическую модель поршня за счет учета ограничителей. Во второй части мы рассмотрим, как добавить физический интерфейс Events (События) для моделирования срабатывания и остановки электромагнитного поршня.

Дополнительная информация о том, как моделировать электромагнитные устройства

Поршень двигателя

Категория:

   Устройство и работа двигателя

Публикация:

   Поршень двигателя

Читать далее:

Поршень двигателя

Поршень представляет собой металлический стакан, установленный в цилиндре с некоторым зазором. При рабочем ходе поршень днищем воспринимает давление газов, а при других ходах осуществляет вспомогательные такты. Верхняя усиленная часть поршня, воспринимающая давление газов, называется головкой, а нижняя направляющая часть — юбкой. Приливы в стенках юбки, служащие для установки поршневого пальца, называются бобышками.

Поршни карбюраторных двигателей изготовляют из алюминиевых сплавов. Алюминиевые поршни обладают малым весом, вследствие чего уменьшаются силы инерции, а следовательно, и нагрузки на детали двигателя при его работе. Кроме того, алюминиевые поршни, так же как и алюминиевые головки, обладают лучшей теплопроводностью, поэтому они меньше нагреваются при работе и способствуют снижению температуры рабочей смеси.

В результате этого можно повысить степень сжатия двигателя, не опасаясь, что возникнет детонационное сгорание топлива.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

В целях повышения износостойкости поршней для их изготовления в последние годы стали применять высококремнистые алюминиевые сплавы с большим содержанием кремния (до 20—25%). Поршни из алюминиевых сплавов изготовляют путем отливки в металлические формы. Для снятия внутренних напряжений в материале литые заготовки поршней подвергают длительному отжигу, а затем подвергают механической обработке.

В карбюраторных двигателях головка поршня имеет плоское днище и толстые стенки с внутренними ребрами, повышающими ее прочность и обеспечивающими хороший отвод тепла. В головке на боковой наружной поверхности имеются канавки для установки поршневых колец. В верхней части головки поршня у двигателей некоторых типов (ГАЗ) делают глубокую узкую канавку, уменьшающую передачу тепла от днища к верхнему компрессионному кольцу, работающему в особенно неблагоприятных условиях, чтобы устранить опасность его пригорания. В некоторых двигателях (ЗИЛ) в головку при заливке поршня заделывается чугунная кольцевая вставка, в которой протачивается канавка для верхнего компрессионного кольца. Такое мероприятие повышает долговечность поршня.

Для улучшения приработки поршней в цилиндрах и для уменьшения износа на юбку 2 поршня наносят специальные покрытия. Обычно трущуюся поверхность юбки лудят — покрывают очень тонким слоем олова (толщиной 0,004—0,006 мм). В средней части юбки делают приливы-бобышки 3 с отверстиями для установки поршневого пальца.

Для того чтобы при нагревании поршень мог расширяться без заедания в цилиндре, поршень устанавливают с зазором между стенкой цилиндра и юбкой. Алюминий расширяется при нагревании значительно больше, чем чугун. Чтобы в холодном двигателе зазор между поршнем и цилиндром не был чрезмерно большим, что может вызвать стуки поршня и утечку газов из цилиндра, в алюминиевых поршнях применяют пружинящие разрезные юбки. При боковом разрезе по всей длине юбка несколько пружинит, и поршень вставляется в цилиндр холодного двигателя плотно, с малым зазором. При нагревании поршня разрез дает возможность юбке расшириться без заедания поршня в цилиндре. Применяют также поршни с частичным, несквозным разрезом Т- или П-образной формы, что повышает жесткость юбки.

Для уменьшения бокового зазора сечение юбки делают не круглой формы, а овальной. Величина овальности (разность осей овала) юбки равна примерно 0,15—0,29 мм. Поршень устанавливают в цилиндре холодного двигателя с минимальным зазором по большой оси овала юбки, располагаемой в плоскости качания шатуна, где действуют боковые силы, прижимающие поршень к стенкам цилиндра. При нагревании поршня юбка может расширяться в направлении малой оси овала, где между юбкой и цилиндром имеется большой зазор. Поршни по длине изготовляют ступенчатыми или конусными, так как зазор вверху между стенкой цилиндра и головкой поршня должен быть больше, чем внизу, вследствие большего нагревания головки. Величина зазора между юбкой поршня и цилиндром для двигателей разных марок колеблется в пределах 0,012—0,08 мм.

Рис. 1. Конструкция поршня

Чтобы при нагревании поршни меньше расширялись, а также для повышения их прочности, в поршни двигателей некоторых марок при отливке заделывают пластинки из специальной малорасширяющейся стали. Для уменьшения веса у некоторых поршней вырезают нерабочую часть юбки. Эти вырезы служат также для прохода противовесов при вращении коленчатого вала у короткоходных двигателей.

Для обеспечения лучшего уравновешивания двигателя поршни к каждому двигателю подбирают равного веса. С этой целью на днище поршня, кроме указания группы по размеру, выбивают соответствующую метку весовой группы. Разница в весе поршней, подбираемых для одного двигателя, не должна превышать 6—8 г.

При сборке поршни обычно устанавливают разрезом на левую сторону двигателя, так как во время работы к этой стороне поршень прижимается с меньшей силой. Для удобства сборки на днище поршня в этом случае делают специальную метку, которая должна быть обращена к передней части двигателя.

Рис. 2. Типы поршней

В дизелях применяют поршни из специального чугуна (двухтактные дизели ЯАЗ) или из высококремнистого алюминиевого сплава (четырехтактные дизели ЯМЗ) с неразрезной юбкой, имеющей большую жесткость. Так как в дизелях боковая сила, прижимающая поршень к стенке цилиндра, достигает значительной величины, то для получения нормального удельного давления между цилиндром и поршнем юбку делают большей длины, Днище поршня, воспринимающее значительное давление газов, делают более прочным с усилением его внутренней стороны большим количеством ребер. Для обеспечения хорошего смесеобразования при непосредственном впрыске топлива в днище поршня располагается камера сгорания специальной формы.

Рекламные предложения:

Читать далее: Поршневые кольца

Категория: — Устройство и работа двигателя

Главная → Справочник → Статьи → Форум

Компрессионные и маслосъемные кольца поршней двигателя. Как работает и почему изнашивается? | SUPROTEC

Всё это стало возможным благодаря постоянному совершенствованию цилиндро-поршневых групп, и в частности самих поршневых колец, от которых зависит стабильная и эффективная работа силового агрегата и возможность максимально продлить его ресурс.

Виды и назначение колец поршней двигателя

Эти детали представляют собой разомкнутые кольца, имеющие так называемые «замки». Они устанавливаются на внешнюю часть поршней в двигателях внутреннего сгорания. Главными их задачами являются:

• обеспечение герметичности самой камеры сгорания;
• удаление излишек тепла от деталей, в частности от поршня;
• создание условий для минимального расхода моторного масла.

По видам различают компрессионные и маслосъёмные кольца.

Компрессионные кольца. В свою очередь они делятся на верхние и нижние. Первые обеспечивают предварительную герметичность системы, а вторые – финишную герметичность работающего силового агрегата, когда газы уже прошли через верхние и промежуточные. В итоге отработанные газы не попадают в картер, уходят в выхлопную систему без всяких примесей, а двигатель работает равномерно, чётко и стабильно.

Маслосъёмные кольца предназначены для удаления излишек моторного масла с поверхностей цилиндров. Они с одной стороны удаляют лишнее масло, а с другой оставляют тончайший слой масляной плёнки, для того чтобы максимально минимизировать силу трения между поршнями и цилиндрами.

Как компрессионные кольца двигателей, так и маслосъёмные могут быть изготовлены из следующих материалов:

• ковкого и пластичного чугуна – материала, который благодаря своей пористой структуре отлично удерживает масло, что, в свою очередь значительно снижает износ цилиндров;
• хромированного чугуна – материала, обладающего повышенной степенью устойчивости, но требующего прецизионной точности обработки;
• маркированной нержавеющей стали, обладающей аналогичными с чугуном характеристиками, которая производится по более простой, а значит и более дешёвой технологии;
• молибденового чугуна – дорогого материала, но при этом обеспечивающего наивысшую степень износоустойчивости, как правило, такие детали используются в элитных или уникальных сверхскоростных авто.

При изготовлении каждое изделие получается путём максимально точной резки трубы из чугуна или стали. При этом заготовка используется с сечением овальной формы. Именно такая форма обеспечивает необходимую эпюру давления на цилиндр, что обеспечивает гарантию полного прилегания детали и её надёжную приработку. Если бы в качестве заготовки была бы использована труба с круглым сечением, то готовые изделия попросту бы не прилегали в местах у замков.

Кольца, установленные в канавках, разворачиваются таким образом, чтобы был образован угол между замками. Для трёх колец величина этого угла составляет 120°, а при двух – 180°.

В итоге получается, что эпюры давлений не совпадают, что обеспечивает равный износ по диаметру. Кроме того, таким образом обеспечивается так называемый «лабиринт», который снижает прорыв отработанных газов. Ранее для обеспечения равномерного угла между деталями на каждой из них были предусмотрены специальные фаски. Сегодня снижения силы трения добиваются посредством выпуска более тонких деталей, но при этом всё равно изделия выпускаются с ориентацией для установки.

Поломку легче предупредить, чем устранить. Используйте присадку для восстановления нормальной работы поршней и колец.

Основные неисправности и способы их устранения

Надо понимать, что поршневые компрессионные кольца, равно как и маслосъёмные являются расходными деталями, которые на определённом этапе времени требуют замены. Во время эксплуатации они подвергаются трению о поверхности цилиндров, высоким температурам, различным химическим воздействиям, например серы, что особенно характерно для дизельных двигателей.

В качестве основных причин возникновения неисправностей, связанных с этими деталями можно назвать потерю упругости из-за нарушений режима обкатки или использования неоригинальных колец низкого качества. Из-за плохого прилегания и прорывов горячих газов кольцо попросту «садится», чем ещё больше усугубляет проблему. Надо понимать, что эти детали всегда находятся в экстремальных условиях – на них постоянно действуют ударные нагрузки от искровой детонации, которые вызывают вибрацию кольца в канавке. В свою очередь это приводит к тому, что увеличивается зазор компрессионного кольца, а, следовательно, растёт вероятность поломок этой детали. Всё это ещё раз подтверждает тот факт, что кольца надо менять.

На практике эти детали могут «ходить» до 500 тыс. и, наоборот, гораздо раньше изнашиваться. Всё зависит от стиля вождения, качества используемого топлива и моторного масла, стабильности и качества подготавливаемой воздушно-топливной смеси, своевременного обслуживания авто и многих других причин. Только вот, когда наступает это самое время замены, по каким признакам можно определить превышение допустимой степени износа, и можно ли максимально отложить ремонт? Эти вопросы возникают у автолюбителей чаще всего.

В технической документации на автомобиль каждый производитель указывает величину пробега, при которой требуется замена маслосъёмных и компрессионных колец поршня. Величины пробега для машин отечественного автопрома обычно находятся в пределах порядка 150 тыс. км, а для автомобилей ведущих мировых брендов – порядка 300 тыс. км. Эти цифры носят рекомендательный характер.

По каким внешним признакам можно определить, что нужна замена поршневых колец и замена компрессионных колец?

Ответ на этот вопрос не такой простой, как может показаться на первый взгляд. Дело в том, что внешние признаки неисправностей цилиндро-поршневых групп практически одинаковы, поэтому определить конкретную неисправность без «вскрытия» нереально. Общий подход такой. Если тяга резко уменьшилась, а нажатие на педаль газа не даёт достаточного ускорения, если мотор плохо запускается «на холодную» или даёт сбои при запуске «на горячую». Если замечено, что расход топлива увеличился, а из выхлопной трубы валит сизый или чёрный дым, то это свидетельствует об имеющейся неисправности. Потеря мощности говорит о снижении компрессии, сизый дым – повышенный расход масла, чёрный дым – перелив топлива. И не обязательно в этих случаях виноваты кольца.

В этих случаях вначале пытаются устранить проблему путём выставления правильного угла опережения зажигания, проверки и при необходимости замены свечей, диагностики работы датчика температуры охлаждающей жидкости, лямбда-зонда, другой электроники, отвечающей за подготовку смеси и правильную работу двигателя.

И только когда точно выявлено, что виновата поршневая группа, то приступают к ремонту, связанному с разборкой двигателя. При этом если автомобиль с большим пробегом, кроме устранения основной неисправности в случае большого износа колец, меняются и они.

Поломку легче предупредить, чем устранить. Используйте присадку для восстановления нормальной работы поршней и колец.

Основными неисправностями этих элементов можно назвать следующие:

– выламывание перегородок между канавками;

– заклинивание в канавках – наиболее часто встречающаяся проблема;

– вертикальные задиры;

– повышенный износ верхних компрессионных колец;

– следы диагонального контакта на юбке поршня;

– вымывание материала поршня в месте отверстия поршневого пальца;

Что касается признаков неисправности поршневых колец (ПК) и способов устранения, то нагляднее будет увидеть их в таблице:

Наименование неисправности	Признаки/причины	Способы устранения
Выламывание перегородок между канавками ПК	Повышенный расход масла/Повышенное давление в камере сгорания, сильно увеличенная степень сжатия, слишком раннее зажигание.	Устранение причин, замена деталей, возможная замена ПК
Заклинивание ПК в канавках – закоксовывание	Повышенный расход масла, потеря мощности/Слишком высокая температура сгорания смеси, возможно заклинивание поршня	Регулировка зажигания, регилировка топливно-воздушной смеси, замена повреждённых деталей
Вертикальные задиры на ПК и юбке поршня	Повышенный расход масла/Абразивные материалы в масле	Очистка масляных каналов, замена масляного и воздушного фильтров. При повторном проявлении – замена ПК
Повышенный износ верхних компрессионных колец	Перерасход масла, потеря мощности/Вымывание топлива из канавок ПК	Проверка системы впрыска, замена ПК.
Следы диагонального контакта на юбке поршня	Повышений шум двигателя/Изгиб или перекос шатуна, «плавание» коленвала	Замена неисправных деталей, замена ПК
Вымывание материала поршня в месте отверстия поршневого пальца	Повышенный шум в двигателе, перерасход масла/Неправильная установка или поломка стопорных колец	Регулировка, устранение несоосности пальца и коленвала, замена поршней и, соответственно, ПК

Доказано, что износ поршневых колец прямо пропорционален запылённостью воздуха, который поступает в цилиндр. Заклинивание и закоксовывание колец случаются из-за скопления в канавках сажи, что является следствием применения некачественных моторных масел, несоблюдением сроков их замены, длительная езда с повышенным перерасходом масла из-за порванных или «задубевших» манжет клапанов. Часто возникают эти проблемы сразу после неправильного монтажа маслосъёмных колец при их замене. Есть вообще экзотические случаи неисправностей и просто поломок колец. Например, езда на растительном масле вместо качественной солярки.

Можно ли избежать ремонта?

Может показаться, что всё очень удручающе – лезть внутрь двигателя для замены колец долго, сложно и недёшево. Однако есть выход. Сегодня на вопрос, можно ли избежать замены колец в случаях их закоксовывания, отвечает автохимия. Многие производители выпускают специальные средства, которые предназначены для решения этих проблем. Средства являются быстродействующими. Они способны возвращать подвижность кольцам, очищать цилиндры, поршни, камеры сгорания, выравнивать компрессию, снижать уровень вредных выхлопов.

Все они делятся на две группы. Первая – присадки в топливо, которые обеспечивают так называемую «мягкую» раскоксовку – очень простой способ, который обычно соединяется с заменой масла и масляного фильтра. Второй – средства для «жёсткого» способа, который рекомендуется для применения продвинутым автомобилистам или в условиях СТО.

Практика показывает, что использование этих средств при перегревах двигателя, появлении «дымления», повышенном расходе моторного масла, в подавляющем большинстве случаев решает проблему и исключает дорогостоящий ремонт.

Вывод простой. Если появилась проблема, то не надо сразу спешить заменять кольца или пытаться ремонтировать двигатель, ведь можно попытаться её устранить с помощью химической «раскоксовки» или использовать восстанавливающий триботехнический состав «СУПРОТЕК».

Новая технология охлаждения поршней дизельных двигателей EnviroKool

Вид в разрезе поршня Monosteel для дизельных двигателей от компании Federal-Mogul Powertrain, демонстрирующий герметичную камеру охлаждения EnviroKool в днище

Герметичная камера охлаждения EnviroKool позволяет днищам поршней двигателей для тяжелой техники работать при больших температурах.

Компания Federal-Mogul Powertrain, подразделение корпорации Federal-Mogul Holdings Corporation (NASDAQ: FDML), разработала первую в мире технологию охлаждения поршней при помощи интегрированной в поршень Monosteel герметичной камеры охлаждения. Технология, получившая название EnviroKool, позволяет безопасно поднять рабочую температуру поршня на 100°C (при использовании стальных сплавов с высокой стойкостью к окислению и защитным покрытием).

«Более эффективное сжигание топлива и увеличенная мощность дизельных двигателей следующих поколений повлекут за собой значительное повышение температуры в камере сгорания, но производители двигателей ограничены температурой, которую может выдерживать днище поршня, – прокомментировал Джан Мария Оливетти (Gian Maria Olivetti), директор по технологиям Federal-Mogul Powertrain. – Технология EnviroKool позволяет поршню работать при повышенной температуре без ущерба для его прочности и срока службы».

Исключительно эффективное охлаждение и минимальная масса – вот основные преимущества технологии EnviroKool, которая, в свою очередь, является вершиной эволюции проверенной временем технологии Monosteel. Интегрированная камера охлаждения заполняется маслом и инертным газом, выдерживающими высокую температуру, а затем герметизируется. Технология EnviroKool позволила компании Federal-Mogul Powertrain преодолеть ограничения по температуре, характерные для поршней с традиционными проточными масляными каналами охлаждения.

«Длительное воздействие высоких температур на моторное масло ведет к снижению его характеристик и скоплению нагара, что отрицательно сказывается на эффективности охлаждения и может стать причиной перегрева, – объяснил Кери Уэстбрук (Keri Westbrooke), руководитель инженерного отдела компании Federal-Mogul Powertrain. – Превосходные свойства технологии охлаждения EnviroKool позволяют поршню уверенно выдерживать тепловую нагрузку. Далее масло, подающееся через форсунку, отводит тепло вниз, где температуры значительно ниже.

За счет отсутствия нагара в камере охлаждения эффективность рассеивания тепла остается на одинаково высоком уровне в течение всего срока службы поршня. Новая технология настолько эффективна, что расход масла для охлаждения поршней сокращается на 50%, снижается нагрузка на масляный насос, уменьшаются паразитные потери и повышается КПД двигателя. Тепло, отводимое от поршня посредством масла из форсунок охлаждения, является частью общего тепла, которое отводится через поршневой палец, юбку поршня и поршневые кольца.

Специалистами компании Federal-Mogul Powertrain уже проведено более 1400 часов испытаний двигателей тяжелой техники с поршнями EnviroKool Monosteel. Все разработки ведутся в сотрудничестве с некоторыми заказчиками: поршни создаются под двигатели, которые запланированы к выпуску в течение пяти следующих лет.

«EnviroKool – новейшая технология в череде успешных решений, призванных помочь нашим клиентам выпускать двигатели и транспортные средства, выбрасывающие меньше вредных веществ в атмосферу, причем это никак не сказывается на их долговечности, надежности или рабочих характеристиках», – подвел итог г-н Уэстбрук.

Компания Federal-Mogul Powertrain представит линейку поршней для дизельных двигателей тяжелой техники на Международной выставке коммерческого транспорта, которая пройдет в Ганновере (Германия) 21-29 сентября 2016 года. Продукцию компании можно будет увидеть на стенде C28 в зале 13.

Площадь поршня — обзор

6.9 Моделирование торможения транспортного средства

В главе 5 обсуждались силовые и моментные характеристики шины, и было показано, как тормозная сила, создаваемая в пятне контакта шины, зависит от величины проскальзывания. передаточное отношение, которое изменяется от нуля для колеса свободного качения до единицы для колеса с тормозом и полной блокировки. В этом разделе мы не так сильно озабочены шиной, учитывая, что мы будем использовать модель шины, сопряженную с нашей полной моделью автомобиля, чтобы представить его поведение.Скорее, теперь мы обращаемся к моделированию механизмов, используемых для приложения тормозного момента, действующего вокруг оси вращения дорожного колеса, которое вызывает изменение коэффициента скольжения и последующего тормозного усилия.

Очевидно, что когда автомобиль тормозит, как показано на Рисунке 6.26, происходит перенос веса с задней части автомобиля на переднюю. Учитывая то, что мы знаем о поведении шин, изменение вертикальных нагрузок, действующих через шины, будет влиять на возникающие тормозные силы. Таким образом, модель торможения может потребовать учета реальных эффектов, таких как пропорциональное тормозное давление на передние и задние колеса или внедрение ABS.Прежде чем рассматривать это, нам необходимо обратиться к механизму моделирования тормозного момента, действующего на одно опорное колесо.

Рисунок 6.26. Торможение полной машины.

Если мы рассмотрим базовую конструкцию, механическую формулировку тормозного момента, основанную на известном тормозном давлении, действующем на поршень, можно получить из рисунка 6.27.

Рисунок 6.27. Тормозной механизм.

Тормозной момент B _T равен

(6,14)

, где

n = количество поверхностей трения (колодок)

μ = коэффициент трения между колодками и диском

p = тормозное давление

A = площадь тормозного поршня

R _d = радиус до центра колодки

Обратите внимание, что в зависимости от сложности модели коэффициент трения μ может быть постоянным или определяться как переменная времени работы в зависимости от температуры тормозного ротора.Также обратите внимание, что трение тормозной колодки / ротора существенно больше ньютоновского, чем трение шины, и, таким образом, вызывает гораздо меньшие сложности, чем трение резины, обсуждавшееся ранее. По-прежнему необходима какая-то модель трения, чтобы предотвратить прямое приложение тормозного момента, раскручивающего колесо назад, чего на практике не происходит. На рис. 6.28 показаны типичные характеристики трения тормоза в зависимости от температуры для различных материалов тормозного ротора. Температуру тормозного ротора T можно рассчитать с помощью дифференциального уравнения

Рисунок 6.28. Удельная теплоемкость, c, в зависимости от температуры, Т (Фарр, 1999).

(6,15)

, где

T ₀ = Начальная температура тормозного ротора (K)

ω (t) = Скорость вращения тормозного ротора (rads s ^-1 )

t = время (s)

h = коэффициент конвекции тормозного ротора (Вт · м ⁻² K ⁻¹ )

A _c = конвективная площадь тормозного диска (м ² )

T _env = Температура окружающей среды (K)

m = масса тормозного ротора (кг)

c = удельная теплоемкость тормозного ротора (Дж кг ^-1 K ^-1 )

BT (t) = тормозной момент (Нм)

Для наиболее распространенного материала тормозного ротора, чугуна, зависимость удельной теплоемкости от температуры в рабочем диапазоне (от 0 до 730 ° C) может быть аппроксимирована выражением

(6.16)

Обратите внимание, что в приведенном выше выражении температура T выражается в градусах Цельсия (Цельсия), а не в градусах Кельвина. Модели тормозного момента и температуры могут быть легко использованы в моделях MBS с использованием комбинации проектных переменных и переменных времени выполнения, как показано в таблице 6.1, где мы используем формат ввода, который соответствует командному языку, используемому в MSC ADAMS. Обратите внимание на необходимость явной итерации, поскольку температура зависит от теплоемкости, а теплоемкость зависит от температуры. При моделировании такого поведения в электронной таблице достаточно ссылаться на температуру предыдущего временного шага.Хотя это возможно во многих пакетах MBS, это может быть неудобно для реализации, а также может привести к моделям с некоторой степенью числовой точности. Выходные данные модели во время единичного торможения показаны на рис. 6.29.

Таблица 6.1. Температурная модель тормозного ротора на основе тормозного момента

Рисунок 6.29. Выходные данные модели температуры тормозов, показанные в Таблице 6.1, во время остановки на 60 миль в час — 0.

Отметим также, что производители тормозов обычно разделяют событие включения тормоза от события охлаждения тормоза для первоначальных расчетов конструкции, что приводит к систематическому завышению температуры во время испытаний на снижение / восстановление.Такой консервативный подход неудивителен, учитывая последствия разрабатываемой тормозной системы. Приведенный пример является относительно простым, с характеристиками конвекции, которые не зависят от скорости транспортного средства, и без изменения тормозного трения в зависимости от температуры тормозов. Хотя на практике эти упрощения делают результаты немного неточными, они полезны при использовании для сравнительных целей — например, если модель температуры тормоза используется с алгоритмом ESP, она может ранжировать стратегии управления с точки зрения энергии, добавляемой к отдельным тормозным роторам.Подобное моделирование, конечно, возможно и для других фрикционных систем в транспортном средстве, таких как муфты привода или трансмиссии. Типичные значения константы конвекции, hAc, составляют около 150 Вт / К для установки переднего дискового тормоза, около 80 Вт / К для установки заднего дискового тормоза и всего 20 Вт / К для заднего барабанного тормоза.

Еще одним ключевым фактором при моделировании характеристик тормозов является распределение тормозных моментов по транспортному средству. При замедлении вертикальные нагрузки на оси изменяются, как описано в разделе 4.8.1 из-за того, что центр масс транспортного средства находится над землей.

Можно предположить, что для идеального торможения продольные силы должны распределяться согласно вертикальным силам. Используя приведенные выше выражения, графики на рисунке 6.30 могут быть рассчитаны для вертикальной нагрузки на ось в зависимости от замедления. Зная общую силу, необходимую для замедления транспортного средства, можно рассчитать горизонтальные силы для «идеального» (т.е. согласованного с вертикальным распределением нагрузки) замедления.График зависимости задней силы от передней приводит к характеристической кривой, показанной на рисунке 6.30. Однако, как правило, невозможно обеспечить такое распределение силы, и поэтому типичное установленное распределение силы похоже на то, что показано пунктирной линией на рисунке. Обратите внимание, что идеальное распределение тормозной силы зависит от условий нагрузки, и поэтому у многих транспортных средств распределение тормозных сил зависит от условий нагрузки. Для получения более подробной информации о характеристиках и конструкции тормозной системы Limpert (1999) дает подробную разбивку рабочих характеристик и поведения, все из которых могут быть включены в модель MBS транспортного средства с использованием подхода, аналогичного показанному в таблице 6.1, если желательно, то есть формулировку переменных состояния и их преобразование в представляющие интерес величины с последующим их использованием для изменения приложенных сил в модели.

Рисунок 6.30. Распределение силы для идеального и типичного торможения.

Видео с вопросом: Расчет силы, прилагаемой поршнем к одному концу за счет силы, приложенной к другому концу

Стенограмма видеозаписи

Гидравлический насос имеет тонкий вал сечением 0.15 квадратных метров и толстый вал площадью 1,2 квадратных метра, как показано на схеме. В верхней части валов расположены поршни, которые можно толкать. К поршню в тонком валу приложена сила, равная 85 ньютонам. А давление гидравлической жидкости прикладывает силу 𝐹 два к поршню в толстом валу. Найдите величину два.

Хорошо, взглянув на нашу диаграмму, мы видим слева этот тонкий вал прямо здесь и справа толстый вал вот здесь.Наша диаграмма включает обозначения площадей соответствующих валов. Тонкий имеет площадь поперечного сечения 0,15 квадратных метров, а толстый — 1,2 квадратных метра.

На этих валах расположены поршни, отмеченные зеленым цветом. Эти поршни закрывают оба конца этого контейнера, который, как нам показано, содержит жидкость. И поскольку нам сказали, что это гидравлическая жидкость, мы можем предположить, что она несжимаема. То есть, даже если на него надавить, объем жидкости останется прежним.

В этой системе мы применяем силу. И эта сила называется 𝐹 единица. Его величина составляет 85 ньютонов. И это сила, давящая на поршень небольшой площади.

Теперь, если мы подумаем об этой силе, 𝐹 единица, распределенной по площади тонкого стержня, эта сила, разделенная на эту площадь, создаст давление на заключенную в ней жидкость. И это увеличение давления из-за силы будет передаваться по всей жидкости, как говорит нам принцип Паскаля. Это давление, распределяемое по площади нашего поршня большой площади справа, создает направленную вверх силу два.И это величина этой силы, два, которую мы хотим найти.

Прежде чем мы освободим место на экране для этого, давайте запишем величину силы единица. Нам сказали, что эта сила составляет 85 ньютонов. И затем, как мы видели, мы хотим найти величину силы два, толкающей вверх поршень с большой площадью. Для этого мы можем начать с левой стороны с нашей силой единица. Мы сказали, что эта сила, распространяющаяся по площади тонкого стержня, создает давление. Это потому, что давление, 𝑃, связано с силой и площадью вот так.Давление равно силе, деленной на площадь. Или в этом случае мы могли бы сказать, что давление, создаваемое силой единица — и мы назовем это давление 𝑃 единица — равно силе одной, распространенной по площади тонкого стержня.

Итак, единица, давление в тонком валу, равно единице, силе, величина которой нам дана, деленная на то, что мы назовем единицей, где единица равна 0,15 квадратных метров. Во-первых, давление, создаваемое силой, — это изменение давления. Потому что сначала мы не оказывали давления, а теперь оказываем давление.И принцип Паскаля говорит нам, что когда мы работаем с несжимаемой жидкостью, как в этом случае. Изменение давления в одном месте в жидкости передается во все другие точки в этой жидкости. Это означает, что давление, испытываемое в тонком стержне нашего контейнера, является тем же давлением, которое испытывается в толстом стержне справа. И такое же давление, которое оказывает на нижнюю часть нашего поршня большой площади.

Если мы назовем давление на нижнюю часть поршня с большой площадью 𝑃 два, то это будет равно 𝐹 два, силе, которую мы хотим найти, разделенной на то, что мы можем назвать два, то есть крест. -сечение толстого вала.Однако, как мы только что видели, принцип Паскаля связывает эти два уравнения. Он говорит, что one равно 𝑃 two. Или, в частности, давление на нижней стороне поршня с малой площадью такое же, как давление непосредственно под поршнем с большой площадью.

И тогда, если один равен 𝑃 двум, то это должно означать, что два над два равно 𝐹 один над 𝐴 один. И затем, если мы сосредоточимся на этом последнем равенстве, два над 𝐴 два равно 𝐹 один над 𝐴 одним, мы увидим, что нам дана единица, приложенная сила.Мы знаем один и 𝐴 два. И поэтому у нас есть вся информация, необходимая для перегруппировки и решения для 𝐹 два.

Чтобы выделить 𝐹 два на одной стороне этого уравнения, мы можем умножить обе части на площадь 𝐴 два, что приведет к сокращению этого члена слева. И мы видим, что два равно 𝐹 единицы, умноженной на это соотношение площадей. Два, площадь поперечного сечения большого вала, деленная на 𝐴 один, площадь поперечного сечения малого вала. Один дан нам как 85 ньютонов. 𝐴 один — это площадь более тонкого вала, 0.15 квадратных метров. И затем 𝐴 два — это площадь поперечного сечения более толстой шахты, 1,2 квадратных метра.

Итак, теперь мы готовы заменить эти три значения справа. Когда эти значения подключены, обратите внимание, что происходит с единицами измерения в метрах в квадрате. Поскольку они указаны в числителе и знаменателе, они сокращаются. И у нас остались единицы ньютонов, то есть единицы силы. Когда мы умножаем 85 на 1,2 и делим результат на 0,15, получаем результат 680 ньютонов. Это величина силы, действующей на поршень большой площади.

РЕШЕНИЕ: Поршень массы m и площади поперечного сечения A находится в равновесии под давлением p в центре цилиндра…

Стенограмма видеозаписи

Всем привет. Спасибо, что присоединились ко мне сегодня. Какие? Мы снова будем смотреть на IHS. Графиня Рабочего вида Энергии и то, что нам дано, получили поршень с массой M и площадью поперечного сечения a, мкм, который находится в равновесии в цилиндре.Показано давление ПМ с обеих сторон. И вы знаете, что нам нужно выяснить, так это то, что этот поршень будет перемещен на расстояние более двух от центральной линии. И этот перепад давления будет приводить в движение поршень, и вас попросили найти, вы знаете, когда этот поршень пересекает X, равный a, который находится на полпути вниз по цилиндру, как показано здесь, гм, какова скорость? Итак, при условии, что давление по обе стороны от кожуха пропорционально объему. Итак, если мы посмотрим на это дальше, мы увидим, что объем — это просто площадь процессии.Время X, которое мы здесь определили, поскольку X — это расстояние от самого левого края цилиндра. Таким образом, это в основном означает, что давление пропорционально сексу за один раз. Итак, если мы расширим это до условий работы с давлением слева и давлением справа, мы знаем, что давление слева по сравнению с давлением, которое нам давали в начале, будет в разы больше. над X вправо. Британский Дженисон. Мы делаем это в общих чертах, чтобы выяснить, что мы можем, как мы можем решить термины, которые мы не знаем, и мы можем просто подключить это к X.Таким образом, мы получаем, что P O равно P A над X. Точно так же мы сделаем то же самое для правой стороны. Давление где-то в ST P r overpay снова равно A. Помните, эти два связаны друг с другом. Однако для P справа, учитывая то, как мы определили, мм, где X равно нулю, вы можете видеть, что это расстояние, которое будет вносить вклад в объемную часть. Итак, если вы сложите их, это два минус X. Итак, мы видим, что это прямо здесь будет минусом.X, который даст нам соотношение для PR, равно PA с точностью до минус X. И это важно, чтобы определить их, потому что эта разница в давлении между этими двумя величинами будет силой, которая будет приводить в движение движение. поршня. Итак, мы знаем, что AT T равно единице в первой позиции. Может это энергия ноль? Потому что это понял из покоя Т 10 нулевой скорости. И позиция, в которой он начинается, — это X, переходит в позицию два, хм, X равен a, а кинетическая энергия равна половине M b в квадрате.Используя определение работы, мы можем сказать, что вы, от 1 до 2, равны. Два. Мы переходим от верхнего к низкому давлению слева, за вычетом давления в правой временной области. Помните, что это дает нам время силы давления, области действия силы D x. Итак, вставив переменные, которые мы знаем, мы можем увидеть, что это равно интегралу от batuk a от p a a, и сказали, что это то, что является общим, что может быть извлечено из обоих. Очистите NPR от одного до X минус один до минус. X DX теперь к.Таким образом, когда мы решаем это подряд, мы можем видеть, что это приводит к p взаимному росту Эллен из X плюс Эллен из двух решенных минус очередей и минус x. Оценивается от a до a, а не от того, что мы подключаем к этому. Мы видим, что это равно Ellen из rP. Умноженное на Ellen из A плюс l конец минус l n a до минус l. A и три a сверх того, что подразумевает, что это дает нам p a Ellen в квадрате минус l конец трех и в квадрате больше четырех. Таким образом, это равно работе, проделанной от 1 до 2. Теперь мы знаем, что изменение кинетической энергии зависит от проделанной работы.Мы знаем, что t один плюс вы от 1 до 2 равно t два. Вы знаете, что t 10, потому что он упустил систему. Поршень пытается с покоя. Итак, мы знаем, что половина и b в квадрате равны вам. Требуется, для которых мы только что видели четыре прямо здесь, мы можем установить эти два выражения равными друг другу. Мы можем сказать, что одна половина MV в квадрате равна P A l, а квадрат минус l и три — квадрат больше четырех. Теперь, используя дальнейшее упрощение алгоритмов правил закона, мы можем сказать, что это эквивалентно P A l и 4/3.Теперь мы можем просто увидеть для V, и мы можем сказать, что V равно квадратному корню из двух p a a l N 4/3 над em. И если мы просто вычислим числовые числа, которые у нас есть, мы можем сказать, что V равно 0,759 p a over end. А это скорость поршня. Когда он проходит через X и равен A после того, как он был выпущен, я действительно смог вас поблагодарить.

Шинный насос имеет поршень с площадью поперечного сечения 0,0047 м2. Если к поршню приложено усилие 191 Н, найдите давление воздуха в насосе.

Нилуфар Ю.

спросил • 07.06.20

Округлите ответ до ближайшего целого числа.

Более

Hello Nilufar,

As, давление = сила / площадь

= 191/0.0047 Н / м ²

Разберитесь

Все еще ищете помощь? Получите правильный ответ быстро.

ИЛИ

Найдите онлайн-репетитора сейчас

Выберите эксперта и познакомьтесь онлайн. Никаких пакетов или подписок, платите только за необходимое время.

---

¢ € £ ¥ ‰ µ · • § ¶ SS ‹ › « » < > ≤ ≥ — — ¯ ‾ ¤ ¦ ¨ ¡ ¿ ˆ ˜ ° — ± ÷ ⁄ × ƒ ∫ ∑ ∞ √ ∼ ≅ ≈ ≠ ≡ ∈ ∉ ∋ ∏ ∧ ∨ ¬ ∩ ∪ ∂ ∀ ∃ ∅ ∇ * ∝ ∠ ´ ¸ ª º † ‡ А Á Â Ã Ä Å Æ Ç È É Ê Ë Я Я Я Я Ð Ñ Ò Ó Ô Õ Ö Ø Œ Š Ù Ú Û Ü Ý Ÿ Þ à á â ã ä å æ ç è é ê ë я я я я ð ñ ò ó ô х ö ø œ š ù ú û ü ý þ ÿ Α Β Γ Δ Ε Ζ Η Θ Ι Κ Λ Μ Ν Ξ Ο Π Ρ Σ Τ Υ Φ Χ Ψ Ω α β γ δ ε ζ η θ ι κ λ μ ν ξ ο π ρ ς σ τ υ φ χ ψ ω ℵ ϖ ℜ ϒ ℘ ℑ ← ↑ → ↓ ↔ ↵ ⇐ ⇑ ⇒ ⇓ ⇔ ∴ ⊂ ⊃ ⊄ ⊆ ⊇ ⊕ ⊗ ⊥ ⋅ ⌈ ⌉ ⌊ ⌋ 〈 〉 ◊

A Газ содержится в вертикальном поршнево-цилиндровом устройстве без трения.Поршень имеет массу …

* Газ содержится в вертикальном поршневом цилиндре без трения. Поршень имеет массу …

* Газ содержится в вертикальном поршневом цилиндре без трения. устройство. Поршень имеет массу 2 кг и площадь поперечного сечения 30 см2. Пружина над поршнем сжимается на 2,5 мм и имеет жесткость пружины k 38 кН / м. а. Если атмосферное давление составляет 1 атм, определите начальное давление (P1) внутри цилиндра. В систему добавлено тепло пока поршень не переместится еще на 10 мм.б. Сколько …

термодинамика .. определить давление

газ содержится в вертикальном поршневом цилиндре без трения. поршень имеет массу 4 кг и площадь поперечного сечения 35 см2. сжатая пружина над поршнем оказывает на поршень усилие 60 Н. Если атмосферное давление 95 кПа, определите давление внутри баллона.

Задача 2.054 SI На рисунке ниже показан газ, содержащийся в узле вертикальный поршень-цилиндр, где…

Задача 2.054 SI На рисунке ниже показан газ, содержащийся в вертикальном поршневом цилиндре, где D = 15 см. Вертикальный вал с площадью поперечного сечения 0,8 см прикреплен к верхней части поршня. Общая масса поршня и вала 25 кг. Пока газ медленно нагревается, внутренняя энергия газа увеличивается на 0,1 k), потенциальная энергия комбинации поршень-вал увеличивается на 0,2 k), а сила F …

Идеальный газ содержится в баллоне, снабженном поршень без трения, негерметичный участок…

Идеальный газ содержится в баллоне, снабженном поршень без трения, без утечки области А. Когда давление атмосферного P0 торец поршня находится на расстоянии l от закрытый конец. Газ сжимается за счет перемещения поршня на расстояние Икс. Рассчитайте жесткость пружины или силовую постоянную F / x в соответствии с (a) изотермические условия и (б) в адиабатических условиях. (c) В В чем преимущество газовой подушки перед стальной пружиной?

2. Устройство поршневой цилиндр поддерживает постоянное давление 800 кПа, вмещая 20 кг…

2. Устройство поршневой цилиндр поддерживает постоянное давление 800 кПа, вмещая 20 кг насыщенного водяного пара. Система нагревается резистивным нагревателем в течение 10 мин при токе 8 А при стандартном напряжении на стенке 120 В. За это время через стены теряется 3,2 кДж тепла. Какая температура в нагретом состоянии? 3 5-18E Водород содержится в поршневом цилиндре при давлении 14,7 фунт / кв. Дюйм и давлении 15 футов. При …

5-18E Водород содержится в поршневом цилиндре на 14.7 фунтов на квадратный дюйм и 15 футов ‘. На это…

5-18E Водород содержится в поршневом цилиндре при давлении 14,7 фунт / кв.дюйм и давлении 15 футов ‘. В этом состоянии линейная пружина (F «x) с жесткостью пружины 15 000 фунт-сила / фут касается поршня, но не оказывает на него силы. Площадь поперечного сечения поршня составляет 3 ф ?. Тепло передается водороду, заставляя его расширяться, пока его объем не удвоится. Определите (а) конечное давление, (б) общую работу, выполняемую водородом, и (в) …

4.Воздух содержится в узле вертикальный поршень-цилиндр, так что поршень находится в статическом состоянии …

4. Воздух содержится в узле вертикальный поршень-цилиндр, так что поршень находится в статическом равновесии. Атмосфера оказывает давление 101 кПа на верхнюю часть поршня диаметром 0,8 метра. Избыточное давление воздуха внутри цилиндра составляет 1,2 кПа. Затем на верхнюю часть поршня помещается груз, как показано ниже, заставляя поршень опускаться до достижения нового положения статического равновесия.В этом положении манометрическое давление воздуха внутри …

Воздух содержится в поршневом цилиндре, имеющем резистивный нагреватель внутри. Атмосфера…

Воздух содержится в поршневом цилиндре, имеющем резистивный нагреватель внутри. Атмосфера оказывает давление 100 кПа, на поршне которого он имеет массу 45 кг и поперечный Площадь 0,9 м². Электрический ток проходит через сопротивление объема воздуха медленно увеличивается на 0.45 м³ при давлении остается постоянным. Масса воздуха 0,27 кг, а его удельная внутренняя энергия увеличивается на 42 кДж / кг, …

ВОПРОС 6 Поршень весом 56,6 кг находится над газом, содержащимся в узле вертикальный поршень-цилиндр …

ВОПРОС 6 Поршень весом 56,6 кг находится над газом, содержащимся в вертикальном узле поршень-цилиндр. Площадь торца поршня 0,1 м2. Газ претерпевает переход из состояния 1 в состояние 2, определяемый следующей диаграммой и заданными свойствами.Определите работу (kl), проделанную газом. Обратите внимание, что поршень находится в свободном движении (без трения). 8 — 9,81 м / с2 Патм — 100 кПа V1 = 1,8 м V2 = 2,5 м2 Газ

Термодинамика: вертикальный вал, поршень и газ, определение теплопередачи

На рисунке P2.70 показан газ, содержащийся в узле вертикальный поршень-цилиндр. Вертикальный вал с площадью поперечного сечения 0,8 см2 прикреплен к верхней части поршня. Общая масса поршня и вала 25 кг. пока газ медленно нагревается, внутренняя энергия газа увеличивается на 0.1 кДж, потенциальная энергия комбинации поршень-вал увеличивается на 0,2 кДж, и на вал действует сила 1334 Н, как показано на …

Идеальный газ заключен в сосуд объемом V_0, снабженный поршнем с площадью поперечного сечения А и массой М. Поршень слегка вдавливается и возвращается обратно. Найти частоту вибрации поршня?

Прежде чем применять модель простого гармонического движения (SHM) к этой системе, обратите внимание, что в SHM, скажем, в системе пружинных масс, не делается поправки на нагрев пружины или на выход энергии, покидающей систему — и то, и другое. произойдет в реальном мире.(-1) #

…. Чего и следовало ожидать.

Но это не гарантирует правильность ответа: (

Патент США

на многосекционный приводной вал для поворотно-поршневого механизма Патент (Патент № 4090822 от 23 мая 1978 г.)

Это изобретение относится к многоэлементному поворотному механизму такого типа, который раскрыт в патенте Bentele, патент США No. № 3 062 455 от 6 ноября 1962 г., а точнее, на многосекционный приводной вал для такого поворотного механизма.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В многоэлементных поворотных механизмах типа, описанного в вышеупомянутом патенте Бентеле, в частности, из трех или более узлов, в которых каждый узел состоит из полости корпуса, в которой ротор поддерживается на главном валу или приводном валу для планетарного вращения внутри связанного с ним корпуса. полости, возникают проблемы достижения относительной простоты и быстроты сборки и разборки механизма. Одним из решений проблемы было использование секционного карданного вала, как показано в следующем U.Патенты:

Herr — Патент США. № 1,858014 — 5/10/32 Баттерфилд — 2,595,761 — 5/6/32 Froede — Патент США. № 3077867 — 19.02.63, Джонс — Патент США. № 3240423 — Такебаяши 15.03.66 — Патент США. № 3279279 — 18.10.66 Курода — Патент США. № 3,352,290 — 14.11.67 Шарплз — Патент США. №3,620,656 — 16.11.71 Loyd, Jr. et al. — Патент США. № 3,924,978 — 9/12/75

В таких секционных карданных валах каждая секция должна быть правильно расположена в осевом направлении, чтобы разместить эксцентрическую часть в соответствующей полости корпуса, и соединены вместе для передачи крутящего момента.В приводном валу, описанном в патенте Froede, патент США No. В US 3077867 секции соединены между собой резьбовой вставкой, которая стягивает вместе две смежные телескопически и дополняющие конические концевые части секций. Обеспечить в приводном валу Froede как надлежащее фрикционное зацепление для передачи крутящего момента, так и расположение эксцентрика сложно, поскольку отсутствуют средства точного позиционирования для размещения секций в осевом направлении. В аппарате Лойда и др., Раскрытом в U.С. Пат. В US 3924978 секции и, следовательно, их эксцентрические части расположены за счет кольцевого упора телескопически расположенных концевых частей смежных секций. Однако эта конструкция относительно сложна, поскольку она имеет резьбовую вставку, аналогичную конструкции Froede, и, кроме того, коническую заглушку, взаимодействующую с резьбовой вставкой, чтобы скрепить смежные секции приводного вала вместе. Патент США Шарплз. В US 3620656 не показаны крайние концевые секции приводного вала и, следовательно, не показано, как, если все секции идентичны, от них передается мощность.Следовательно, следует предположить, что используются обычные средства, требующие специально сконструированной самой концевой секции, такие как обеспечение шлицевого соединения между самой концевой секцией приводного вала и валом отбора мощности.

Кроме того, в конструкциях предшествующего уровня техники трудно разорвать сцепление с фрикционным натягом между телескопическими примыкающими поверхностями, так что разборка оказалась трудоемкой и требует много времени.

Кроме того, известные ранее многосекционные приводные валы не имеют взаимозаменяемых секций, поэтому изготовление, сборка и разборка являются более дорогостоящими и трудными.

Таким образом, целью настоящего изобретения является создание многосекционного приводного вала для вращающегося поршневого механизма, который имеет относительно простую конструкцию и который можно быстро и легко собирать и разбирать.

Другой целью настоящего изобретения является создание многосекционного приводного вала для механизма с вращающимся поршнем, составляющие части которого могут быть соединены вместе с натягом, передавая крутящий момент, и при этом легко и быстро отсоединяться.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание многосекционного приводного вала для механизма вращающегося поршня, в котором каждая секция имеет одинаковую конфигурацию и взаимозаменяема друг с другом.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Соответственно, настоящее изобретение предусматривает усовершенствованный, сборный или многосекционный приводной вал для многоэлементного поворотно-поршневого механизма типа Ванкеля, в котором каждый узел состоит из поршня и корпуса, образующего полость, в которой поддерживается поршень. для планетарного движения.

Многосекционный приводной вал согласно настоящему изобретению содержит множество секций приводного вала, по одной секции для каждого блока. Каждая из секций приводного вала содержит удлиненный корпус, имеющий сквозное осевое отверстие и эксцентричный участок между их противоположными концевыми частями для поддержки поршня, связанного с ним. Одна торцевая часть секции имеет уменьшенный размер. Другая концевая часть имеет примыкающую к ней часть осевого отверстия, размер и конфигурацию которой дополняют упомянутую одну концевую часть.Секции приводного вала расположены в осевом совмещении с эксцентрической частью каждой секции, расположенной в соответствующей полости корпуса, и с упомянутой выше одной концевой частью, телескопически принимаемой в другую концевую часть следующей смежной секции приводного вала. Предусмотрено удерживающее средство для фиксации секций приводного вала в зацеплении от конца до конца друг с другом, так что другая оконечная часть секции упирается в заплечик одной оконечной части следующей смежной секции.

В более узком аспекте этого изобретения отверстие каждой секции приводного вала имеет участок с внутренней резьбой, который служит для приема инструментальных средств для выполнения как сборки, так и разборки многосекционного приводного вала.

В первом варианте осуществления удлиненный стержень, имеющий, по меньшей мере, одну концевую часть с резьбой, превращен во внутреннюю резьбовую часть одной смежной секции приводного вала так, чтобы проходить соосно отверстию другой следующей смежной секции. Упорное средство взаимодействует с дальним концом стержня и следующей смежной секцией приводного вала, оказывая силы на секции, втягивая их в зацепление.

Во втором варианте осуществления удлиненная штанга, имеющая резьбовую концевую часть, превращается во внутреннюю резьбовую часть одной смежной секции приводного вала так, чтобы она продолжалась соосно отверстия другой следующей смежной секции и до точки рядом с внутренней резьбой. часть другого следующего соседнего раздела.Упорный элемент, имеющий резьбовую часть, превращается во внутреннюю резьбовую часть другой следующей смежной секции и входит в зацепление со штангой для приложения осевой силы к штанге, так что противоположно направленная сила реакции на следующую смежную секцию вызывает разделение следующие соседние секции карданного вала.

В третьем варианте осуществления средство заглушки взаимодействует с частью с внутренней резьбой одной смежной секции приводного вала для уплотнения канала, в то время как средство соединения взаимодействует с частью с внутренней резьбой другой следующей смежной секции с образованием закрытой камеры и сообщением камеры таким образом формируется в отверстии с источником жидкости под давлением и тем самым способствует разделению следующих соседних секций приводного вала.

В четвертом варианте осуществления средство углубления расположено либо в одной концевой части, либо в другой концевой части секций приводного вала, так что, когда такие концевые части соседних секций находятся в телескопическом зацеплении, между ними образуется камера. Канал для текучей среды сообщает эту камеру с отверстием и имеет средства для соединения со средством подачи текучей среды под давлением, так что при соединении с источником текучей среды под давлением такая текучая среда направляется в камеру для разделения сцепленных смежных секций приводного вала.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение будет более полно понятно из последующего его подробного описания при рассмотрении в связи с прилагаемым чертежом, на котором несколько вариантов осуществления изобретения проиллюстрированы в качестве примера и на котором:

РИС. 1 представляет собой поперечное сечение многоблочного роторно-поршневого механизма типа Ванкеля, имеющего многосекционный приводной вал, в соответствии с настоящим изобретением;

РИС. 2 — вид в разрезе по линии 2-2 на фиг.1 в несколько увеличенном масштабе;

РИС. 3 — вид в перспективе одной из секций приводного вала, показанных на фиг. 1 и проиллюстрировано в увеличенном масштабе;

РИС. 4 — вид в поперечном разрезе, показывающий многосекционный приводной вал, показанный на фиг. 1 в процессе сборки и инструментальные средства согласно первому варианту осуществления для этой цели;

РИС. 5 — вид в разрезе, показывающий многосекционный приводной вал по фиг. 1 в процессе разборки и средства согласно второму варианту осуществления для этой цели;

РИС.6 — увеличенный частичный вид в разрезе части средства, показанного на фиг. 5;

РИС. 7 — вид, аналогичный виду на фиг. 5, показывающий средства согласно третьему варианту осуществления, используемые для разборки секций приводного вала;

РИС. 8 — увеличенный частичный вид в разрезе соединительного средства, которое составляет часть средства, показанного на фиг. 7;

РИС. 9 — вид, аналогичный фиг. 5 и 7, показывающие средства согласно четвертому варианту осуществления для выполнения разборки секций приводного вала; и

РИС.10 — увеличенный частичный вид в разрезе средства, показанного на фиг. 9.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Теперь обратимся к чертежам и, в частности, к фиг. 1-3, ссылочный номер 10 обычно обозначает многоблочный роторно-поршневой механизм типа Ванкеля, такой как описанный в патенте Bentele, патент США No. № 3062435 от 6 ноября 1962 г., который имеет, в соответствии с настоящим изобретением, многосекционный приводной вал 12, состоящий из множества секций 13, расположенных встык соосно друг с другом.Механизм 10 может быть двигателем внутреннего сгорания, расширительным двигателем, компрессором или насосом и может состоять из трех блоков, как показано, или из двух или более трех блоков, без отклонения от объема и сущности этого изобретения.

Как лучше всего показано на фиг. 1, механизм 10 содержит корпус, состоящий из двух торцевых стенок 14 и 16, двух промежуточных стенок 18 и 20 и трех периферийных стенок 22, 24 и 26. Торцевые стенки 14 и 16 и промежуточные стенки 18 и 20 удерживаются на расстоянии друг от друга параллельно. друг к другу периферийными стенками 22, 24 и 26, чтобы определить между ними три полости 28, 30 и 32.Стены удерживаются в фиксированном соотношении с помощью подходящих средств, таких как стяжные болты или сквозные болты (не показаны), но раскрытые в ранее упомянутых патентах США, выданных Bentele and Jones. Каждая из периферийных стенок 22, 24 и 26 имеет внутреннюю периферическую поверхность трохоидальной конфигурации для образования многолепестковой полости.

Внутри каждой из полостей 28, 30 и 32 расположен вращающийся поршень 34, который имеет многосторонний профиль, так что в двухлепестковой полости вращающийся поршень имеет три боковые поверхности 36, образующие в целом треугольный профиль.Каждый из вращающихся поршней 34 поддерживается для планетарного движения в их соответствующих полостях 28, 30 и 32 за счет эксцентриковой части 38 секции 13 приводного вала. Чтобы поддерживать желаемое угловое соотношение эксцентриковой части 38 и связанного с ней вращающегося поршня 34, предусмотрен узел 40 синхронизирующей шестерни. Каждый из узлов 40 содержит внутреннюю кольцевую шестерню 42, прикрепленную к соответствующему вращающемуся поршню, и ведущую шестерню 44, прикрепленную к торцевой стенке 14 или промежуточным стенкам 18 и 20 болтами 46 таким образом, чтобы зацепиться с коронной шестерней 42 (см. Фиг.2). Каждый вращающийся поршень 34 определяет со своей ассоциированной полостью множество рабочих камер, которые последовательно расширяются и сжимаются в объемном размере по мере того, как вращающийся поршень перемещается в планетарную систему внутри своей полости. Чтобы изолировать каждую из рабочих камер друг от друга и от окружающих областей, каждый вращающийся поршень имеет систему решетки уплотнения, которая может включать, как показано, узлы 48 верхних уплотнений, полосы 50 газового уплотнения и кольца 52 масляного уплотнения.

ВАЛ ПРИВОДНОЙ МНОГОСЕКЦИОННЫЙ

Многосекционный приводной вал 12, как указывалось ранее, состоит из множества секций 13, по одной на каждый вращающийся поршень 34.Каждая секция приводного вала, как лучше всего показано на фиг. 3, содержит удлиненный цилиндрический корпус 54, который, как показано, может иметь сформированную за одно целое эксцентрическую часть 38 или ту, которая иным образом жестко соединена с корпусом 54. Как обычно, продольная ось корпуса 54 смещена относительно оси эксцентрика. часть 38. Корпус 54 снабжен осевым отверстием 56, проходящим через него. Одна оконечная часть 58 имеет форму усеченного конуса с ее конической кольцевой поверхностью 60, оканчивающейся кольцевым выступом 62, проходящим в радиальном направлении.Рядом с концевой частью 58 отверстие 56 снабжено резьбовой частью 57 уменьшенного диаметра, которая предназначена для приема различных инструментов, показанных на фиг. 4, 5 и 7, которые могут использоваться для сборки и разборки секций приводного вала. Концевая часть 64, противоположная концевой части 58 каждой секции приводного вала, имеет в соседней части отверстия 56 коническую внутреннюю кольцевую поверхность 66, которая имеет конус, дополняющий поверхность 60. Размеры поверхностей 60 и 66 таковы, что Концевая часть 58 одной секции 13 телескопически и с усилием принимается внутри концевой части 64 следующей смежной секции 13 с натягом достаточной величины для обеспечения, по меньшей мере, части способности соединения передавать крутящий момент.Когда оконечная часть 64 одной секции 13 приводного вала полностью выдвигается над торцевой частью 58 следующей смежной секции 13 приводного вала, оконечная часть 64 упирается в заплечик 62, чтобы таким образом ограничить величину телескопического перемещения, тем самым избегая возможной деформации оконечной части 64, а также правильно расположить секции приводного вала в осевом направлении относительно их соответствующих полостей 28, 30 и 32 корпуса. Фрикционное зацепление между прилегающими поверхностями концевой части 64 и заплечика 62 обеспечивает оставшуюся часть способности соединения передавать крутящий момент.Другими словами, способность передачи крутящего момента, которая необходима для передачи крутящего момента, делится между фрикционным зацеплением конических поверхностей 60 и 66 и фрикционным зацеплением концевой части 64 и заплечика 62.

БОЛТ ПРИВОДНОЙ ВАЛА В СБОРЕ

Как показано на фиг. 1, множество секций 13 приводного вала удерживаются в зацеплении для передачи крутящего момента с помощью узла 70 стяжных болтов. Узел 70 стяжных болтов содержит удлиненную штангу 72, которая имеет резьбу на противоположных концах 74 и 76 и проходит соосно через совмещенные отверстия. 56 секций карданного вала 13.Резьбовая концевая часть 74 стержня 68 превращается в резьбовое отверстие муфты 78. Муфта 78 имеет ступицу 80, имеющую коническую периферийную поверхность, дополняющую коническую внутреннюю кольцевую поверхность 66 секций 13 приводного вала, и размер которой соответствует быть помещена в посадку с натягом с поверхностью 66 самой концевой секции 13 приводного вала. Другими словами, ступица 80 эквивалентна концевой части 58 каждой из секций приводного вала и, когда она находится в полной посадке с натягом с поверхностью 66, соединена с передачей крутящего момента. взаимосвязь с секциями карданного вала.Муфта 78 имеет фланцевую часть 82, в которой предусмотрены отверстия 84 для болтов для облегчения ее соединения с валом отбора мощности (не показан).

Узел 70 стяжных болтов также включает в себя на конце, противоположном муфте 78, узел упорного подшипника 86. Узел 86 содержит неподвижный упорный подшипник 88 в виде шайбы, прикрепленный болтами 89 к торцевой стенке 16, упорное кольцо 90. установлен на штанге 72, нагружающем конусе 92 и упорной гайке 94 с резьбой на резьбовом конце 76 стержня 72. Нагрузочный конус 92 охватывает концевую часть 58 в форме усеченного конуса соседней самой концевой секции 13 приводного вала и входит в подшипник скольжения 93, расположенный в торцевой стене 16.Упорный подшипник 88 имеет центральное отверстие, через которое выступает концевой участок 76 стержня 72 и ступичный участок 91 упорного кольца 90.

В узле упорного подшипника 86 упорное кольцо 90 надевается на концевую часть стержня 72 так, чтобы упираться в нагружающий конус 92, прежде чем неподвижный упорный подшипник 88 будет установлен и прикреплен к торцевой стенке 16. После этого упорная гайка 94 поворачивается. часть 76 стержня 72 с резьбой и через шайбу 96 прикладывает осевую силу к упорному кольцу 90 в направлении влево, как показано на фиг.1. Эта осевая сила передается через нагружающий конус 92 на секции 13 приводного вала. Одновременно эта гайка прикладывает осевое усилие в противоположном направлении к стержню 66, которое передается через муфту 78 на секции 13 приводного вала, так что в действительности секции карданного вала зажимаются вместе с помощью стяжного болта 70. Между неподвижным упорным подшипником 88 и упорным кольцом 90 предусмотрено масляное уплотнение 98. Для обеспечения требуемого смещения или зазора ведущего вала относительно корпуса осевая длина нагружающего конуса 92 выбирается таким образом, что, когда упорная гайка 94 затягивается для приведения упорного кольца 90 в прочное прилегание к нагружающему конусу 92, между упорным кольцом 90 и торцевой стенкой 16 и упорным подшипником 88 образуются зазоры 100.

ПРИВОДНОЙ ВАЛ В СБОРЕ

В сборке многоблочного поворотно-поршневого механизма 10 и, в частности, сборке приводного вала 12, каждая последующая секция 13 приводного вала может быть прикреплена к следующей смежной секции 13 приводного вала с помощью инструмента 102, показанного на фиг. 4. Поскольку фиг. 4 представляет собой вид, аналогичный части механизма 10, показанного на фиг. 1-3, части конструкции, показанной на фиг. 4, соответствующие частям, показанным на фиг. 1-3 будут обозначены одинаковыми ссылочными номерами.

Инструмент 102 содержит удлиненный стержень, имеющий резьбовые противоположные концевые части 104 и 106, упорное кольцо 108, упорную гайку 110 и шайбу 112. Резьбовой концевой участок 104 рассчитан на зацепление с участком 57 с внутренней резьбой каждой из секций приводного вала. 13. Длина стержня больше, чем длина секции приводного вала, так что, когда резьбовая концевая часть 104 находится в зацеплении с резьбовой частью 57 одной секции ведущего вала, ее противоположная резьбовая концевая часть 106 выступает за концевую часть 58 следующего Прилегающая секция карданного вала 13.

При использовании инструмента 102 для сборки многосекционного приводного вала 12 в соответствии с настоящим изобретением и, в частности, для посадки с натягом между концевыми частями 58 и 64 следующих соседних секций 13 приводного вала, резьбовая концевая часть 104 инструмента 102 оказывается превращен в резьбовую часть 57 первого приводного вала 13 либо до, либо после промежуточной стенки 20, и связанные с ней шестерня 44 синхронизирующей шестерни и втулка 45 подшипника размещаются на месте. Следующая смежная секция 13 приводного вала, которая должна быть соединена с первой секцией приводного вала, затем вставляется в опорную втулку 45 так, чтобы ее концевой участок 64 зацепился за концевую часть 58 указанной первой секции 13 приводного вала.Затем упорное кольцо 108 надевается на концевую часть 106 инструмента и устанавливается напротив концевой части 58 присоединяемой секции приводного вала. Шайба 112 прижимается к упорному кольцу 108, а затем упорная гайка 110 поворачивается на резьбовой концевой части 106 инструмента и затягивается подходящим гаечным ключом или другим инструментом. Когда упорная гайка 110 затягивается, она прикладывает осевое усилие к секциям приводного вала. Эта осевая сила приводит в движение концевую часть 64 и ее поверхность 66 секции приводного вала, соединенную с концевой частью 58 и поверхностью 60 первой секции приводного вала.Как указывалось ранее, телескопические концевые части 58 и 64 прижимаются к желаемой посадке с натягом для передачи крутящего момента и при этом претерпевают некоторую деформацию. Затягивание упорной гайки продолжается до тех пор, пока концевая часть 64 не упрется в заплечик 62 и тем самым положительно позиционирует секцию приводного вала и ее эксцентрик 38 в осевом направлении относительно периферийной стенки 24 и вращающегося поршня 34, которые после этого добавляются к узлу. После того, как две секции приводного вала приведены в надлежащее зацепление, о чем свидетельствует прилегание концевой части 64 и заплечика 62, упорная гайка 110, шайба 112 и упорное кольцо 108 снимаются с резьбовой концевой части 106 штока.Затем инструмент поворачивают, чтобы освободить его резьбовую часть 104 от резьбовой части 57. Затем шток индексируется в осевом направлении и поворачивается для зацепления резьбовой части 57 только что собранной секции приводного вала. Это соединяет инструмент 102 для сборки следующей или третьей секции приводного вала (не показана) после того, как промежуточная стенка 20 (не показана на фиг. 4) и связанная с ней ведущая шестерня 44 и подшипник скольжения 45 правильно расположены относительно периферийной стенки 24. Это Затем третья секция приводного вала соединяется с только что собранной так же, как описано ранее.Вышеописанная процедура выполняется до тех пор, пока все секции 13 приводного вала, образующие полный многосекционный приводной вал 12, не будут скреплены вместе. Затем инструмент 102 снимается и сборка 70 стяжных болтов выполняется, как описано выше.

РАЗБОРКА ПРИВОДНОГО ВАЛА

На ФИГ. 5 показан инструмент 114 согласно второму варианту осуществления, который может использоваться для разборки многосекционного приводного вала 12 согласно настоящему изобретению и, более конкретно, отсоединения одной секции 13 приводного вала от следующей смежной секции приводного вала.Как и при использовании инструмента 102 для сборки, инструмент 114 взаимодействует с частями 57 с внутренней резьбой каждой секции 13 приводного вала. Фиг. 5 — вид, аналогичный виду на фиг. 4 и, следовательно, части конструкции, показанной на фиг. 5, соответствующие частям, показанным на фиг. 4 будут обозначены теми же ссылочными номерами.

Как показано на фиг. 5, инструмент 114 содержит упорный стержень 116 и упорный стержень 118. Упорный стержень 116 имеет концевую часть 120 немного увеличенного диаметра, которая снабжена резьбой, адаптированной для зацепления с частью 57 с внутренней резьбой первой секции 13 приводного вала.Упорный штифт 118, как лучше всего показано на фиг. 6, имеет резьбовую часть 122 хвостовика и шестигранную противоположную концевую часть 124. Проходящая в осевом направлении выемка 126 сформирована в хвостовике 122 и имеет такие размеры, чтобы свободно принимать в ней оконечную часть 128 уменьшенного диаметра стержня 116. Дно выемки 126 снабжен аксиально расположенной выемкой 130, в которую входит центрирующая соска 132, проходящая соосно от концевой части 128.

При использовании инструмента 114 упорный стержень 116 поворачивается так, что концевой участок 120 входит в зацепление с участком 57 с внутренней резьбой секции приводного вала, чтобы отсоединиться от первой секции приводного вала.Упорный стержень поворачивается до тех пор, пока его концевой участок 120 полностью не выйдет из зацепления с резьбовой частью 57. Затем он перемещается в осевом направлении в совмещенных осевых отверстиях 56 до тех пор, пока его резьбовой концевой участок 120 не войдет в контакт с резьбовым участком 57 первой секции приводного вала. После этого его поворачивают для зацепления с резьбовой частью, как показано на фиг. 5. Затем шпилька 118 превращается в резьбовую часть 57 секции приводного вала, которую необходимо расцепить до тех пор, пока соска 132 стержня 116 не войдет в зацепление с выемкой 130 в нижней части выемки 126.При приложении крутящего момента к концевой части 124 шпильки 118 подходящим инструментом, таким как гаечный ключ, к стержню 116 прикладывается направленная в осевом направлении сила в направлении влево, как показано на фиг. 5 и 6. Одновременно равная и противоположная сила, направленная вправо, как показано на фиг. 5 и 6, прикрепляется шпилькой 118 к снимаемой части приводного вала. Эти противоположно направленные силы, приложенные к двум секциям приводного вала, нарушают соединение телескопически сцепленных концевых частей 58 и 64.Эта процедура выполняется для полной разборки приводного вала 12 до двух последних секций приводного вала, как показано на фиг. 5, разделены.

На ФИГ. 7 показано альтернативное средство 134 инструмента, которое можно использовать для разделения секций 13 приводного вала многосекционного приводного вала 12. На фиг. 7 — вид, аналогичный фиг. 4 и 5 и, следовательно, соответствующие части на соответствующих фигурах будут обозначены одними и теми же номерами.

Инструмент 134 содержит резьбовую пробку 136, муфту 138, источник жидкости под давлением, такой как насос 140, и инструмент 142 для вставки и удаления пробки 136.Более конкретно, резьбовая заглушка 136 снабжена выемкой многоугольной формы по меньшей мере на одном ее конце, которая приспособлена для приема шестигранного ключа 142 для облегчения вставки и удаления заглушки из резьбовой части 57 каждой из секций 13 приводного вала. Муфта 138, как лучше всего показано на фиг. 8, имеет концевую часть 144 с резьбой и сквозное осевое отверстие 146. Концевая часть 144 с резьбой сконструирована и скомпонована так, чтобы входить в зацепление с частью 57 с внутренней резьбой секции 13 приводного вала, которая должна быть удалена.Трубка 148 подходящим образом соединена одним концом с внешним концом муфты 138, а на противоположном конце — с насосом 140, чтобы направлять жидкость под давлением через отверстие 146 муфты в отверстие 56 секции приводного вала, которую нужно снять. . Когда заглушка 136 и муфта 138 на месте, как показано на фиг. 7, камера образована в отверстии 56. Чтобы гарантировать, что камера имеет требуемое уплотнение, муфта 138 может быть снабжена кольцевым уплотнением 150, установленным на фланцевой части 152 муфты. Уплотнение 150 прижимается к концу секции приводного вала, когда муфта достаточно повернута для зацепления с резьбовой частью 57.

Как легко видеть, жидкость под давлением, проходящая в канал 56 по трубе 148 и в канал 146 муфты 138, оказывает давление на концевую часть 58 одной секции 13 приводного вала и на поверхность соседней части 57 с внутренней резьбой. соединенной секции 13 приводного вала. Таким образом, силы в противоположных направлениях действуют на соединенные секции приводного вала, выводя их из зацепления.

Если необходимо разделить три или более секций 13 приводного вала, заглушка 136 может быть вставлена ​​с противоположного конца секции приводного вала по сравнению с концом, показанным на фиг.7, поворачивая плунжер в первой части 57 с внутренней резьбой до тех пор, пока она не выйдет из зацепления, индексируется в осевом направлении и затем вставляется в часть 57 с внутренней резьбой следующей смежной секции 13 приводного вала. В качестве альтернативы та же процедура, что описана выше, может сопровождаться вставкой заглушки 136 в том же конце секции приводного вала, как показано на фиг. 7, но с использованием гаечного ключа шестигранного типа, значительно большей длины, чем показано.

На фиг. 9 и 10 показана альтернативная секция 13А приводного вала, которая отличается от секции 13 приводного вала на фиг.1-8 только тем, что он имеет канал 154 для текучей среды под давлением, проходящий в концевой части 58 от поверхности 60 к осевому отверстию 56, канал 154 имеет резьбовую часть 156 для приема охватываемого соединителя (не показан) трубы 158 для подачи текучей среды под давлением. (показаны пунктирными линиями на фиг. 9). Ввиду структурного сходства части конструкции, показанные на фиг. 9 и 10 будут обозначены теми же номерами, которые идентифицируют аналогичные части, показанные на фиг. С 1 по 8.

Канал 154 для текучей среды под давлением используется как инструментальное средство при разборке или разделении соединенных секций 13А приводного вала и служит для отвода текучей среды под давлением из трубы 158 в промежутки между поверхностями 60 и 66 соседних секций приводного вала.Жидкость под давлением разделяет две сцепленные секции карданного вала. Как лучше всего показано на фиг. 10, предпочтительно, чтобы канал 54 заканчивался кольцевой выемкой 160, образованной в поверхности 60, чтобы обеспечить приложение давления по окружности к поверхности 66.

Теперь очевидно, что настоящее изобретение обеспечивает многосекционный приводной вал для многоблочного роторно-поршневого механизма, в котором каждая секция приводного вала идентична и полностью взаимозаменяема, что позволяет минимизировать затраты на изготовление, сборку и ремонт.